Cosestamtim

ffi *E*csas?na Sfo$refic*

Geongeta Caxnelia Cozaru

Adriarp Cristiam Fapari

Gemetf,cffipsfrtnwEmgfle# g& psfihmPafwBmgfle#

Editura Fundafiei,,Andrei $aguna"Constan{a2009

I.S.B.N.

97 8-e7

3

-7

32-108-4

&escnierea CXF a Bibtiotecii Na{ionale a Romdmiei

pan acnaNu sTol,Ntrctr, C0NSTANTIN GeneticX psihologic[ 9i psihopato{ogici / Constantin Bdlaceanu Stolnici,Georgeta Camelia Cozaru, Adrian Cristian Papari. - Constanfa: Editura Fundaliei ,,Andrei $aguna", 2009

Bibliogr. rsBN 97 8-97 3-7 32-1A8-4 I. Cozaru, Georgeta Camelia II. Papari, Adrian Cristian575:159.9

@ Editura Fundatiei,,Andrei $aguna" ENITURA CU PROFIL ACADEMTC $X $TXINTXF'IC RN,CUNOSCUTA DE C.N.C.S.A.S.

Redactor qef cie editur6: lector univ. dr. ANDRA SECELEANUConstanfa, str. 1 907, m. 25, tel.ifax: 024t -66.25.20, e-mail : editura@andreisaguna. ro

Tipar executat la Tipografia S.C. S.S.I.,,TOTALDATA" S.A. Constanla

tuxpe'{rcs

Cuv6nt 1. Conceptul de ereditate gi importanfa 2. Geneticd 3. Geneticd 4. Geneticd 5. 6. 7. Ingineria 8. Geneticd 9. Genetica gi 10. Genetica organizlrii sistemului 1 l. Genetica plasticitSlii sistemului 12. Genetica psihologiei 13. Genetica psihologiei 14. Genetica psihologiei 15. Genetici qi psihiatrie (I). Boli psihice 1 6. Geneticd qi psihiatrie (II). 17. Geneticd 9i psihiatrie 18. Aspecte Anexd - Profilaxie gi

inainte.

citologic6.... moleculard... 55 73 cibernetic6... ........ 93 Muta!iile.... I 13 Genomicd... genetic1L..... 129 populalionalb. .. 147 .......165 embriogeneza. ... 179 nervos. ...197 nervos. (I)... .... .209 (II).. 223 ... .. 239 [ID... ....347 .....329 ........349..

sa.

..........

7

.. 1 1 ....27

organice... . (III). bioetice..... tratament... Bibliografie...

253 283

...359

Casv&m

$ssm$KB6e

in cadrul preocupirilor gtiinlifice moderne un loc extrem de important il ocupd cele referitoare la geneticS. Se poate spune c5 genetica este domeniul cel mai de actualitate al biologieizilelor noastre. F-a a dep5qit insd cu mult ca interes granilelegtiin{elor naturii.

Aceasti disciplinS relativ noub care s-a conturat la cumpdna dintre secolele XIX qi XX studiazi unul din mecanismele fundamentale care asigurS morfogeneza'

funclionarea, perenitatea qi evolulia substanlei vii de peste 3,8 miliarde de ani cind ,,Natura" a inventat o maqinS moleculard fascinantd prin compleNitatea, eficacitatea gi stabilitatea ei dar qi prin universalitatea ei, ea fiind prezentd la toate fiin{ele vii unicelulare (virugi, bacterii, protozoare) qi incepdnd din Cambrian qi la tiinlele pluricelulare (fungi, plante, anirnale) inclusiv (de 200.000 de ani) la specia noastr6. Descoperirea acestei maqini - |a inceputul anilor 1950 de Watson qi Crick - a permis inlelegerea modului cum se tealizeazd ereditatea dar qi cum se construiesc 6i funclioneazh organismetre vii. Ea funclioneazd ev\dent cu consum de energie, dar modul ei de a ac{iona se face pe o bazd informalionald ceea ce se poate indeplini dtn cauza structurii sale lingvistice. Paradigma fundamentalS a geneticei moderne este c5 toate componentele organismului gi organismul in intregimea lui sunt deterrninate morfologic Ai funclional de informa{ia geneticd in complementaritate cu factorii de rnediu (ftz\c, biologic, sociocutrtural). De aceea printre sarcinile genetice una important5 este s5 stabiieascd ponderea implicdrii genelor (,,nature") qi a celor de mediu (,,nurture").

pentru psihologie cdci permite pe de o parte o mai profunda cunoagtere a fixarea bazelor neurobiologice ale psihismului uman dar lirnitelor p6nd la care modularea epigeneticd a functiilor psihice poate fi, realizatd prin educafie, consiliere gi psihoterapie' Deoarece in lumea rea15 nimic nu este ideal (perfect) qi maqina geneticd poate fi victirna erorilor (mutaliilor), aceste erori ce se proCuc la nivelul genornului din nucleul sau mitocondriile

Acest aspect este deosebite de important

;i

;i

celulelor se pot exprima prin modificdri morfologice 9i/sau funclionale la nivelul organismului (fenotipului). Unele din ele pot fi pozitive (mdrind eficacitatea organismelor de a se adapta la mediu) ele fiind unul din motoarele evoluliei speciilor; altele pot fi letale qi altele pot antrena diferite infirmitili sau boli numite afecliuni sau dezordini genetice. Ele se manifesti atdt in domeniul bolilor,,corpului" (somatice) cdt qi ale psihismului (de la tulburdri comportamentale pAnb La psihoze sau afecliuni psihoorganice). Dintre acestea unele se datoreazd unor mutalii existente numai in celulelor corpului (somatice). Acestea nu sunt transmisibile in succesiunea generaliilor. Altele sunt la nivelul celulelor ce asigurd reproducerea (celulele germinale) qi in acest caz se transmit ereditar. De aceea nu orice boala cu determinaregeneticd se qi transmite urmaqilor. Existenla bolilor genetice ereditare sau nu este extrem de

importantd pentru medicind dar qi pentru alte discipline (ca de exemple antropologia medicai6). Ea este importantd 9i pentru psihologi c[rora le oferd o noud qi interesantd perspectivd asupra dezordinilor psihice. Totodatd le deschide un drum important de consiliere. Consilierea geneticd impune ca qi toate intervenfiile asupra maginii genetice (de ex. ingineria geneticd, clonarea terapeuticd) respectarea unor anumite norme juridice - care sunt impuse de legislalia in vigoare in fiecare lard - qi morale - care aparlin domeniului bioeticii ce igi are rdddcinile in reperele formulate in cadrul drepturilor qi libertdlilor Omului. in aceastd lucrare vom aborda in primul rdnd genetica generalS in care sunt prezentate toate aspectele esenliale ale

geneticei moderne (geneticd moleculard, geneticd ciberneticS, geneticd citologicd, genomicd gi geneticd populaliona16). Aceastd parte constituie nucleul debazd al acestei lucr6ri. La aceasta se adaugd o parte speciali care se referd la mecanismele genetice implicate in construclia sistemului nervos qi in rcaltzarea comportamentului urnan normal 9i patologic. AlSturi de neurogenezd sunt prezentate determindrile genetice qi ereditabilitatea unor caractere psihologice normale dar qi al afec{iunilor psihiatrice organice 9i non-organice completate qi de o analtzd"geneticd a consumului 9i dependenlei de droguri. Pentru ca aceasti incursiune sd fie completd sunt descrise qi unele aspecte legate de identifi carea prin amprente genetice, de ingineria geneticd qi bineinleles de metodeie de clonare. Ele dezvSluie unele aspecte pragmatice ale geneticei actuale. Am considerat obligatoriu s[ introducem un capitol de bioeticd, disciplina care in contextul legislativ qi sociocultural contemporan a cdpdtat o importanld major6. Pentru a risipi parlial fatalismul genetic am adaugat o anexd ce cuprinde principalele strategii ce se pot folosi pentru a face fa15 inexorabilei presiuni a genomului cu imperfecliunilesale.

Textul este sprijinit de o ilustralie minulios aleasd perrtru a-l face mai inteligibil. Pe lAng[ ilustralii proprii am mai folosit numeroase ilustrafii preluate din aite lucrdri sau de pe internet. Autorii

9. CmnaeeptnxF de eredfin$e

g& &aaapmr6*ra$m

sa

Oricine gtie cb intre oameni qi in general intre fiinlele vii exist[ relalii de filialie, determinate de faptul cd orice fiin!6 vie provine din alta sau doud alte fiin1e care-i transmit nu numai viala dar qi forma, funcliile gi comportamentul. Aceastd transmisie defineqte ereditatea care cum vom vedea are ca mecanisrn ,,magina genetici" un extraordinar dispozitiv biologic. Datoritd acestei ,,magini" dintr-o bacterie de E-coli nu provine decAt o bacterie E-coli, dintr-o pereche de porumbei numai niqte porumbei qi dintr-o pereche de oameni numai nigte fiinle umane.Nu trebuie sd uitdm c5 sunt qi alte caractere nonbiologice care se transmit din generalie in generafie, dar care sunt socioculturaie, ca averea, patrimoniul cultural, numele de familie, apartenen{a la o colectivitate sau comunitate religioasd, titlul nobiliar sau stema q.a.m.d. Acestea sunt transmisii familiare dar nu ereditare qi nu intrd in problematica acestei lucrlri. Ereditatea este qi rdm6ne legatd de materia vie. Una din cele mai importante particularitali ale planetei noastre este aparilia acum 3,5 miliarde de ani printr-un proces incd neelucidat a materiei vii (,,big-bang-ul biologic"). D. atunci zilele noastre, aceasta s-a menlinut neintrerupt pdnd transferdndu-se prin succesiuni (generafii) de entitdli (structuri) distincte qi cu o duratd de existenld limitatd. Faptui acesta a impus necesitatea rep rod ucenii exemplarelor respective.

in

Atifta vreme c6t materia vie era formatb din fiinle unicelulare problema reproducerii a fost rezolvatd prin diviziunea periodicd (in funclie de un ceas biologic endocelular) a corpului lor monocelular astfel inc0t dintr-o celuli mamb s6 se formeze douS celule fiice printr-un mecanism extrem de subtil care a fost denumit de biologi mttoz6. Este mecanismul de-lI tt

inmullire qi de menlinere a speciilor existenle de monocelulare(viruqi, bacterii).

Odati cu aparilia acum A,7-I miliarde de ani (in Precambrian) a fiinlelor pluricelulare problema asiguririi continuitdlii materiei vii a devenit extrem de complexb cdci eravorba ca o structurd cu mai multe celule si se reproduci ceea ce numai era posibil prin diviziune. O pisicd nu se poate reproduce despic6ndu-se in doud.

Reproducerea rnonoeelulareior

drept cd numeroasele celule somatice ale corpului fiinlelor pluriceluiare (uneori de ordinul miilor de miliarde) se inmullesc tot timpul existen{ei lor prin mecanismul diviziunii celulare (a mitozelor). Pentru fiinla ?n totalitate ei natura ,,inventat" un mecanism foarte complicat. O fiinli vie iqi geneteazd' o celuld speciald - ,,celula ou" - din care prin diviziune gi diversificare celulari conform unui program prestabilit (cel al ontogenezei) se ,,construieqte" o fiin!6 fiicd asemdndtoare cu cea maternS. C6nd o singurd fiin!5 vie genereazd una sau mai multe

E

a

fiinle fiice avem o reproducere monoparentalS sau prin

pantenogenezil. Este o formd de reproducere care deqi este relativ simpl[, este extrem de rar6. A fost descris6 la unele insecte (ex. albinele) qi crustacee, la uniiqerpi qi chiar la unii pegti (rechini).

1a

IL

@ @

Masculin Feminin

Reproducerea sexuatX

speciilor pluricelulare existente folosesc un mod de reproducere in care celula ou care va genera noua (sau noile) fiin!6 este rezultatul fuziunii a doud celule (garnelii) diferite: una mare (cu citoplasmi bogati) qi imobili Imensa majoritate(ovulul) qi alta mic[ gi mobild (spermatozoidut). Este vorba de reproducersa sexu&t6. Cu extrem de rare exceplii, cei doi gameli provin de la dou6 exernplare diferite, unul care genereazd ovulul (gametul feminin) qi altul care genercazd spermatozoidul (gametul masculin). Reproducerea sexuatE este astfel biparentatX. Este un mecanism mult mai complicat decdt cel al reproducerii partenogenetice (asexuate) dar aarc prezinti mari avantaje mai ales pentru evolulia speciilor.Nu qtim cdnd omul a conqtientizat cd reproducerea este biparentald. Congtientiza$ea a fost ins6 esenliald pentru dezvoltarea sociocultural[ a umanitdfii. Ea a permis printre altele formarea conceptelor de filiatie paternd nu numai matemE,realizarea primelor agreg6ri umane bazate pe noliunea unui strbmo$ comun (de ex. al clanului) real sau mitic (uneori zoomorf sau totemic), ritualizarea sexualitdlii, formarea familiei, interdic{ia incestuluiq.a.m.d.

a

Pentru ca reproducerea sd se poatd face este necesar ca masculul qi femela s5 apar{ind aceleiaqi specii. Exemplarul care

este generat prin contribu{ia biologicd a unui mascul (tat[l) ;i unei femele (mama) apar{ine qi el aceleiaqi specii cu pdrinlii sai potrivit unei reguli universale a biologii.Profesorului C.I. Parhon ii pldcea sd spuni pentru a afirma existenla ereditdfii intr-o perioadd c6nd era combdtutd (din motive ideologice) ,,niciodatd dintr-un ou de cocostdrc nu va ieqi o cioard ci numai un cocostdtc". Existd gi cazuri de reproducere prin hibridarea a doud specii diferite dar apropiate cum este cazul calului qi mdgarului. In aceste cazrtrr exemplarele hibride (in speli asinul sau catdrul) nu au capacitatea de a sereproduce.

lncd de mult, probabil din Neolitic de cAnd a domesticit animalele qi plantele, omul a observat cd progenitura nu prezintd numai cqracterele generale ale speciei pirinlilor sdi dar qi unele caractere individuale ntoStenite de la tatd, mamd 9i chiar de la membrii generatiilor anterioare. De asemenea este imposibil s5 nu fi observat asemenirile dintre frafi, dintre copii gi pdrinli sau chiar cu bunicii in felul acesta s-a ajuns la conceptul de tnansrnisie ereditar6 a unor particularitdli morfologice gi/saufunclionale de la o generalie la alta. Ereditatea poate fi biologic[ (este cea ce ne intereseaz[) dar se poate referi qi la elemente socioculturale ca numele, patrimoniul, titlul nobiliar,stema etc. care nu ne intereseazd ?n aceastd lucrare.

Aristotel

Problema transmiterii caracterelor ereditare a frdmAntat oamenii de mult. ln spaliul nostru cultural, in vechea Grecie, cdrturari ca Pitagora, Empedocle, Anaxagora, Hipocrate sau Aristotel au incercat sd explice transmiterea ereditard a caracterelor psihosomatice fErd insd sd aibd la dispozilie concepte ca celula, fecundarea, cromozomii sau altele. Ei au ajuns la un model potrivit ciruia caracterele ereditare se transmit de la intreaga fiinld a celor doi pdrinli (modelul pangenefic). Aristotel, mai ales in tratatul s6u "Despre generarea animalelor" ("flepi (Cbtrlv ytv6ogtltg") suslinea cd aceste caractere se rnoqtenesc de la tatd qi de la mamd prin c6te un material ereditar. Acesta este cuprins in spermd qi in sdngele menstrual din amestecul cdrora rezultd embrionul. SAngele menstrual transmite ,,substanfa sau componenta materiald" a viitoarei fiinle de la mamS iar sperrna transmite ,,forma ca gi sufletul" ei de la tat6. Sigur c6 acest model era inspirat de cunoqtinlele biologice ale vremurilor respective dar qi de reflexiile metafizice aIe marelui filosof. Aristotel considera cd gi spenna este o form6 de sdnge transformat prin focul vital la nivelul mdduvei spinirii. De tra acest model al ereditillibazat pe sdngele matern qi s6ngele patern transformat in spermd a rdmas ideea grepiti cd particularitblile ereditare ale fiinlelor se transmit prin sAnge, fapt care se reflectd in termeni ca ,,este din acelagi sdnge cu", ,,este consanguin cu",,,are sdnge albastru"etc.

Ideea pangeneticd a contribuliei intregului corp al pdrinlilor in ereditate s-a menlinut pen6 in secolul XIX cdnd a fost preluatd gi de Ch. Darwin. El considera cd aceste caractere ereditare sunt transmise prin niqte particule ipotetice numitegermule generate in intregul corp.

Rolul lui Darwin (1809-1892) a fost extrern de important pentru dezvoltarea ulterioard a geneticei ins[ prin altb contribulie - de astd datd esenliat[ - la cunoagterea materiei vii. El a ddrdmat vechea doctrind fixisti (expusd clar de Line) potrivit cireia mecanismele ereditare menlin cristalizate pentru eternitate speciile a$a cum au fost create de la inceputul iumii qi a impus ideea cE tiparele ancestrale pot fi modificate de procesul evolulieiIJ

speciilor. Aceasta a dat un putemic impuls cercet[rilor asupra ereditSlii a cSrei rol stabilizator a fost completat cu unul dinamiccare s5 permitd filogeneza.

Ch. Danwin

Fr. Galton (1522-l9Il) stimulat de ideile vdrului siu Darwin a abordat problema diversitSlii oamenilor aa qitransmiterea de la o genera{ie la alta a unor caractere somatice dar gi a unor aptitudini umane. El a folosit un demers statistic, pun6nd bazele studiilor histonometrice ale ereditdlii qi folosind indici biometrici, fotografii chestionare psihologice qi biografii ca gi studierea gemenilor. A precizat earacterul ereditar al unor anumite aspecte morfologice dar qi al unor caracteristici psihotogice. A fdcut pentru prima oard o distincfie clard intre caracterele care se transrnit (,,nature") 9i cele care sunt determinate epigenetic (,,ntirture") prin factorii de mediu qi educalie. Pe de altl parte prin nigte experienle de transfuzii asupra iepurilor a respins ideea pangenezei mijlocite de gemule suslinutd de celebra sa rud6. Se considerd insd cb intrarea studiilor ereditdlii in domeniul qtiinlelor exacte s-a frcut odatd cu lucrarea

fundamentald, a lui Gr. Mendel (1822-1884) un cdlugdr augustin dintr-o mdndstire austro-ungard de la Brno publicatS in 1866.

Gr. Mendel

Mendel era un grddinar pasionat care timp de c6liva ani a cercetat pe aproape 28.000 de exemplare de rnazdre modul cum se transmit prin hibniddri anumite caractere ereditare qi a supus rezultatele sale unor anaLize statistice. Rezultatele sale au fost sintetizate sub numele de legile lui Mendel. A) Prima lege a lui Mendel este cunoscutd sub numele de legea segnegirii Folosind lirnbajul geneticii moderne aceastb lege presupune trei aserliuni: 1- Suportul fiecaruia din caracterele ereditare (viitoarele gene) are mai multe variante posibile (viitoaretre alele). De ex. gena ce se exprimd prin culoarea pErului poate avea cavariante exprimarea culorii negre, brune, roqcate etc'

Existenla alelelor multiple pentru aceiaqi gen6 asigurd diversitatea sau varialia in s6nul unei specii. 2- Fiecare organism mogtenegte de la pbrinlii s6i pentru fiecare caracter un cuplu de doud variante sau aleie una de latatd qi una de la mam6.

3- in cursui formdrii gamelilor - a ovulelor17

qi

spermatozoizilor - (pentru crearea generaliei urmdtoare) cele douS alele (atdt cea patemd c6t qi cea maternb) ale

unui caracter ereditar determinat de o gend se separd (se segregd) pentru a permite noi combinalii in cursul fecunddrii. Aceste noi combinafii sunt un prim tip de recombindri genetice care asigurd cum vom vedeadiversitatea geneticd. Cum vom vedea mai departe, acest lucru este posibil deoarece fiecare gamet in parte nu dispune pentru o geni de un cuplu de alele ci doar de una singur6. Cu prilejul fiec5rei fecundiri se realizeazd (pentru noua fiin{d) laintAmplare cdte un nou cuplu de alele in cadrul cdruia fiecare alel6 intervine potrivit caracteristicilor ei indiferent dacd provine de la exemplarul masculin sau feminin.

ts) A doua lege (a puriti{ii game{ilor) a stabilit cd fiecare caracter ereditar se transmite independent unul fap de celdlalt printr-un,,transmi!5tor" propriu ipotetic (viitoarele gene).De ex. gena care asigurd culoarea pdrului se transmite independent gena care transmite culoarea ochilor q.a.m.d.. Vom vedea mai tdrziu cd de unele gene pot fi legate intre ele (fenomenul de linkage).

TRANSMISIE I ilITERMEDIARA

C'3 W,

{}

+>tfl, e@ c@ cc @c c@ w@,;It_t

{>*

il

,/;\u

r&z .*ffim-

/T\

/r

\

7?f /F\ /T\ /T\*{"*'F'*

xlr ui; .-uS** +S.m xiv a,.4,b*# ".Y'J

Sferocitoza congenitald Sindromul Gilles de la Tourette Hipercolesterolemia familiari Boala Charcot-MariE.Tooth Sindromul Marfan Distrotia miotonice Scleroza tuberoasa

,,.?,s (:)

S.r

'et 6i

-l i\t I !l\.r,

r'*\

i

*k /T\RR

Q

@ R=geni dominantiW=geni recesivi

ia

cea de a doua posibilitate (mult mai obignuitd) numitd transmisie dominant-recesivS una din componente (in cazul lui Mendel, cea referitoare la flori roqii) pe care acesta a numit-o dominatoare (va fi denumitd ulterior dominantd) are o putere de a se transmite (de a se impune) mai mare decdt componenta referitoare la flori albe pe care a denumit-o recesivi. In acest caz toate plantele din prima generalie vor avea flori rogii, dar in cele din a doua generalie 75o/o din ele vor avea flori roqii iar 25%a flori albe. In acest cazvariante intermediare (mixte,rcz) nu vor apdrea

In

niciodatS. Pentru ca sd apard flori albe trebuie prin jocul hibrid6rilor s[ se realizeze un exemplar homozigot cu ambele alele recesive (in cazul nostru cele pentru alb). Cu alte cuvintetrebuie sd lipseascd alela dominantd. Este cazul sd anticipim cu unele precizdri. Strucfura ce transmite un caracter ereditar este gena (care vom vedea cd este o porliune determinatd dintr-o molecul5 de acid desoxiribonucleic sau ADN).

Gena poate avea mai multe variante fiecare din ele numindu-se aleli. Aceste alele determind printr-un mecanism biochimic foarte complicat realizarea concreti a unui caracter al organismului. Aceastb realizare se numegte exprimarea geneisau alelei respective. Caracterele de dominant sau recesiv aparlin alelelor degi in mod eronat - se vorbeqte de multe ori de gend dominantd sau recesiv6.

Ansamblul genelor (cu alelele respective) ale unui organism formeazi materialul genetic care ulterior s-a numitgenotip. Fiinla concreti real6 rezultatd, din exprimarea genelor unui genotip se numeqte fenotip. In capitolele urmdtoare vom explica pe larg aceste nofiuni fundamentale care se gdsesc prezente intr-o formd embrionard in opera luiMendel.

Pentru a putea urmdri destinul ereditar a alelelor Reginald Punnet (1875-1967) a introdus o metodd matricialS denumitd pdtratele lui Punnet.20

Opera sa a fost redescoperitd gi mediatizatd la inceputul secolului XX de o serie de biologi printre care Karl Correns, Erich Tschermak qi mai ales marele genetician Hugo Marie de Vries (1848-1935) cdruia ii datordm cum vom vedea definirea conceptului de mutalie. De atunci toate modelele despre ereditate au la bazS legile lui Mendel. A fost o perioadd tristi qi ruqinoasd incepind de la sfdrgitul anilor 20 p6ni in anul 1964 cAnd in Uniunea Sovieticd gi in !6ri1e ei satelite (printre care pi Romdnia postbelic6) la ordinul lui Stalin, datoritd unui pseudogenetician impostor qi politruc, Trofim Denisovici Lysenko, ereditatea mendeliani a fost negatd gi inlocuitd cu o doctrind fantezistddenumitd rniciurinism sau lysenko-miciurinism, care respective, orice cercetarea de geneticd gtiinlific valabild.

a blocat, in

larile

Ereditatea nu este o fantezie nici o simpld ipotezi explicativL. Ea este o caracteristicd. fundamentald a materiei vii. Mecanismele aare o rcalizeazd (,,maqina geneticS") asigurd reproducerea indivizilor (qi deci inqiruirea generaliilor succesive) li stabilitatea speciilor dan gi diversitatea indivizilor in cadrul speciilor qi ?n general diversifatea speciilor (a intregii rnaterii vii). Tot mecanismele ereditdlii

asigurd in mod in aparenld paradoxal(variabilitatea

plastf,citatea

in

tinnp) fiinlelor

vii in cadrul

speciilor fiind

totodatd gi suportul evoluliei speciilor (specierii sau transformdrii unei specii in altd specie). Analiza transmiterii caracterelor ereditare este ingreunatd mult de faptul cd fenotipurile exprimate de diferitele alele ale unei gene nu sunt tranqate (alb-negru; rogu-verde etc.) ci uneori continue cu gradalii mici (variafii fenotipice mici) (de ex. negru * diferite grade de cenuqiu - alb). Aceasta impune un demers cantitativ care se bazeazdpe folosirea modelelor sfatistice. Se iau in considerare distribufii statistice, histograme de frecven!6, sau functii de distribu;ie. Se foiosesc Ai mdsuri statistice asupra cdrora nuvom insista aici.

Lucrurile se complicd qi mai mult deoarece exprimareafenotipicd depinde nu numai de determinarea geneticd dar gi de factorii de mediu. Este vechea problemd a raportului dintre ,,nature" qi ,,nurture" pusd deja de Galton Modul cum factorii de

mediu(distribufia factorilor ambientali) influenleazi distribulia fenotipurilor se numeqte normd de nepreeemtare. stabilirea normei de reprezentare este in general foarte greu de ficut iar pentru om aproape imposibil de realizat. Din punct de vedere conceptual este foarte importantd, cdci exprimd ideea cd un caracter fenotipic depinde at6t de factorii genetici c6t

;i

de cei de mediu

una din problemeie studiului ereditdlii este de a stabilipentru un caracter fenotipic cdt este de importantd determinarea

geneticd

in raport cu cea a

factorilor de mediu. criteriul

pragmatic cel mai important este asem5narea. CAnd un anumit caracter fenotipic al unui exemplar seamdnd cu acelaqi caracter de ia unul din pdrinli, frali sau inaintagi este un indiciu privind determinarea sa ereditard. Asemanarea nu este indiciu absolut cdci doui fenotipuri se potasemina foarte multe deqi nu au nimic comun din punct de vedere ereditar ci doar printr-o coincidenld nesemnificativd.

Aceastd dubld determinare

varialiilor fenotipurilor. Varian{a fenotiprlrilor

o

regdsim

qi in

apariliamdsoard

diferenla (devierea) dintre o variantd existentb qi varianta standard in cazul unei populalii date intr-un mediu dat. Important este sE se precizeze cat de mare este contribulia factorilor genetici in raport cu cei de mediu in reahzarea varianlei unuianumit caracter fenotipic.

DacS Vf este varianla fenotipurilor, Vg este varian{a geneticd ce contribuie la realizarea varianlei fenotipurilor, Vm varianla factorilor de mediu si Vgm varianfa interacliunilor factorilor genetici cu cei de mediu avenn rela{ia:

Vf = Vg + Vqm *Lu6nd

Vgme

expresia de mai sus Holzinger in 1929 a definit un indice de ereditabititate F{2 care exprima ponderea factorilor genetici fald de cei ai mediului:${2= V2g/V2f =

in considerare

V'g/ (V'S + V'm)1.j,

Acest indice permite teoretic

ereditdlii. El este caracteristic pentru o populalie datb intr-un mediu dat qi nu poate fi extrapolat. Separarea variabilitalii determinatd de gene qi cea determinatd de mediu este ins[ extrem de greu de realizat de multe ori gi necesitd tehnici laborioase aga cd din punct de vedere practic rolul lui H2 este relativ. Cdnd indicele H2 al unui caracter fenotipic nu este nul renfitd c6 in populalia qi in mediul respectiv caracterul fenotipicare o determinare geneticd. Menliondm cd o constatare contrard nu permite excluderea determin[rii genetice. De asemenea o ereditabilitate foarte mare nu exclude intervenlia factorilor de mediu.

o

analizl cantitativS

a

Studiile asupra ereditabilitelii s-au frcut gi se fac prindemersuri multiple. Cele mai importante sunt: 1 - Sfudiile de genetic* popufa{iomaild pe care le vom dezvolta intr-un capitol viitor. 2 - Studiite familiilor prin arbori genealogici. Sunt foarte greu de efectuat in cazurile normale (nu de boli manifeste) mai ales c6nd este vorba sd se meargd pe mai mult de trei generalii. Documentele lipsesc qi datele sunt destul de aproximative cdci in general sebazeazd pe observaliile fEcute de non-specialigti. Unul din primii care a folosit studiile de familie pentru a stabili caracterul ereditar al unor manifestdri psihologice a fost sir Francisc Galton (1822-1911) ?n doud lucrdri celebre (Hereditaty geniws 1859 qi English rnen of sciences. Nature and nurture 1874) care pot fi considerate primele lucrdri sisternatice de acest gen. El a incercat sd separe influenfele ereditare (,,nature") de cele educalionale (,,nurture") $i a semnalat ci numirul persoanele

-

dotate (sau supradotate) dintr-o familie scade pe mdsurd ce

genenafiiie se succed.

3 - Studiul comparativ

atr f'na{ilon btparentalf,

cu

cei

uniparemtafii gi mai ales al copiilor biologici cu cei adoptivl completeazd metoda precedentb. Ea este util6 mai ales c6nd pdrinfii copilului adoptat pot fi qi ei examinali.

24

Sir Francisc Galton

4 - Sfudiul geuraenilor este foarte valoros prin compararea modului cum anulnite caractere se regdsesc la frafii dizigotici qi ia cei monozigotici (gemenii autentici). Compararea concordanfelor dintre fra1i se face prin coeficienli de corelalie. De asemenea s-a foiosit qi indicele de ereditabilitate H2 a lui Holzinger. Aceastd metodd este in special relevantd dac6 gemenii au fost cresculi in medii diferite a$a cum a subliniat in 1925. H.J. Mtiller care a luat premiul Nobel pentru studiile sale asupra mutaliilor. Menliondrn din proprie experienlb cd nu totdeauna (incaracterul monozigotic a gemenilor. $i in acest domeniu Galton a fost un pionier cu lucrarea sa The history of twins publicatd in 1875 in care a semnalat cd ereditatea este mai puternicd decdt educafia. 1974 Nance ardtat importanla studiilor asupra descendenlilor gemenilor univitelini. Personal am putut studia descendenlii unor gemeni univitelini cisStorili cu gemene

lipsa amprentei genetice) este u$or de stabilit

ttr

a

univiteline.

5 - La animale s-au folosit experien{e de ?rurperechere. Astfel Tyron prin 1940 a studiat o populalie de qobolani dintre/,)

care unii aveau o mare facilitate de a rezolva problema rmperecnaL ultr e1 iabirintului, 9i alfll rezolvau labtrtntUlul, $1 alfli O reZOlVaU CU greutate. A imperecheat intre r qobolanii abili pe de o parte gi cei inabili pe de altd parte. Dupb cdteva generalii divergenla dintre cele doud loturi a crescut, cei abili devenind mai abili, in timp ce cei inabiii au devenit mai inabili. Cu aceeaqi metodd & studiat emotivitatea, motivaliaalimentard, cea pentru miqcare gi cea exploratorie qi pentru toate a oblinut rezultate aseminitoare demonstr6nd astfel determinarea ereditard a caracterelor amintite. 6 - in uneie cazuri s-au putut efectua qi studii de gemetic5 cronnozomiald sau moleculari care au permis precizatea atdt a determinbrii caracterului ereditar al unui caracter fenotipic cdt qi a genelor implicare genelor implicate. Studiul ereditElii qi a mecanismelor ei au devenit obiectul unei discipline noi a biologiei - gemetica - care a cunoscut in ultimele decenii o dezvoltare extraordinard devenind una din cele mai importante ramuri ale gtiinlelor exacte de azi. Se poate spune ci secolul ce a inceput este secolul geneticii deoarece aceast[

medicina dar va schimba multe paradigme ale vielii umane sociale, culturale qi spirituale. Progresele ei deschid o erd noub in istoria umanitdlii.

gtiin!5

va revoluliona nu numai biologia, antropologia qi

2. Gemettc# citologic&in capitolul precedent am vdntt cum problema transmiteriiereditare a unor caractere a permis constituirea in cursul secolului XIX a unei discipline qtiinlifice qi a unui model biologic valabil pAnS astdzi. Acest model a fost realizat ludnd in considerare inilial datele empirice qi apoi cele experimentale privind numai aspectele macroscopice ale organismelor vii qi fbcAnd apel la unele structuri conceptuale ipotetice (gemulele, genetre) f*.aft suport concret. Un drum nou, care va completa modelul de mai sus a fost deschis de descoperirea microscopuiui de cdtre Anton van Leeuwenhoek (1 632-1723) .,n negustor de postavuri pasionat pentru cercetare.

Leeuwenhoek qi microscoPul lui

zi

Gra{ie microscopului, Leeuwenhoek qi contemporanii sdi au ineeput s5 intrevadd mecanismul fecmmda$iei. Pdnb atunci domnea vechea idee promovatd gi de Aristotel, cd noua fiinld rezultd din amestecul lichidului spermatic cu sangeie menstrual.Este surprinzdtor sd citegti in una din enciclopediile de referinli de la inceputul secolului xIX (1833) cum incd mai domnea o conceplie humorald potrivit cdreia sperma era un lichid cu proprietili fecundante misterioase.

Microscopul a evidenliat insi in spermd existenla acelor celule cu coadi foarte mobile (asemdnltoare cu mormolocii) numite spenmatozqizit, Aceqtia au fost observali prima oard de Leeuwenhoeck in t677. Descrieri amdnunlite qi desene au fost fEcute apoi separat de Niklass Hartshoecker qi Christian Huygens

in 1678 (Clarke).Nu trebuie sd uitdm c5 numeroqi naturaliqti (printre care gi vestitul Lazario Spallanzani) au considerat spermatozoizii drept niqte parazi{i fErS de nici o relalie cu procreafia.

Model ovulisf

Inilial mul1i naturali;ti au crezut cI viitoarea fiin{d este pnefornnatd intr-o form6 microscopicd (un ltomwnculus miniaturizat) indesat6 in gameli (ou6 sau spermatozoizi) qi ch aceasta va creqte constituind noua fiinfd. tn cursul secolelor XVII gi XVIII cercetdtorii s-au impdrlit in doud tabere. unii - numili ovulisti - in frunte cu Jan Swarnerdamm (1638-1680) suslineau cd homunculusul preembrionar se afl6 ?n ou, iar allii - numili spermatigli sau animqliculiyi - printre care hliklass Hartshoecker28

(1666-1725) considerau c5 homuncusul se afl6 in spermatozoid. Acesta a rcalizat chiar un desen al homuncusului in lucrarea sa .,Essay de Dioptrique" din 1694, pe care l-a prezentat insd ca pe o ipotezd fird sd pretindd cdL-avdzut.

Model spermatist1699 un oarecare Delapantius, iar in 1750 un alt personaj dubios Gautier d'Argoty au sus{inut cd au v6zut homuncusul (Cole).

in

Paralel, W. Harwey (1578-1656) - cel care a descris prima oard circulafia sanguind - a suslinut in tratatul sdu ,,De generatione animalium" din 1651, vechiul model epigenetic a lui Aristotel care afirma cI embrionul se va dezvolta in trepte succesive din nigte elemente iniliale simple nespecifice cuprinse in ou (,,ex ovo omnia"). Acest model care respinge pe cel preformist se va dovedi a fi cel adev5rat. Este meritul indiscutabil a lui Caspar-Friederichi Wolff (17331794) de a-i fi dat lovitura de gralie preformismului qi de a fi consolidat modelul epigenetic ca qi Pierre-Louis Moreau de Maupertuis ( I 698- I 7 59). Unul din argumentele lui Wolff era este imposibil ca in ouble lui Eva sd fi fost continute preformate toate fiinlele umane care au existat, existd sauvor exista a$a cum o postula modelul preformist.

in secolul XIX s-a ajuns la modelul modern ai fecuncialiei potrivit cdruia aceasta implicd pdtrunderea unui (numai unu[) spermatozoid (care numai este considerat un parazit) in oul din care va proveni printr-un proces epigenetic de construclie biologicb noua fiinp. in felul acesta vechile modele preformisteau fost complet inldturate.

Acest model a fost formulat ca o ipotezi la inceputul secolului

XIX

de

Jean Louis Prevot gi Jean Batiste Dumas.

Procesul de pdtrundere a spermatcsoidului in ou a fost confirmat de G. Neuport (1853), Eduard van Beneden (1875) qi de Oscar Hertwig (1876) (Clarke) care l-au putut urmdri cu microscopul. Mai tdrziu s-a precizat cd spermatozoidul pdtrunde in ovul care este o celulS special5 (cea mai mare celulS a organismului). Termenul de ou (sau celulb ou) astdzi este folosit pentru a desemna ovulul fecundat. Nu trebuie s6 uitim cd multd vreme s-a crezut a;a cum suslinea gi deGraaf cE foliculul ovarian este oul ceea ce s-a dovedit o eroare.

Fecundafia prin monospermieAst6zi se qtie cf, receptorii din membrana spennatozoidului recunosc proteinele de pe suprafala membranei ovulului care ii semnalizeazd cd ambii tactism al aparlin aceleiagi specii. Acegtia decianqeazi pentru ovulul respectiv. Nigte citokine din membrana spermatozoidului spermatozoidului blocheazi fenomenul de respingere din partea ovulului qi spermatozoidul pdtrunde in interiorul lui. De indatd owlul reaclioneazd modificAnd membrana sa cu ajutorul unor enzime lizozomiale, ftc6nd-o impermeabil[ pentru alli spermatozoizi (fenomenul de monospermie).

Si un

P[trunderea spennatozoiduluiembriogeneza.

in ovul declanqeazi

apoi

Microscopul a mai atdtat ceva surprinzdtor pentru vremurile respective. Fiinlele vii, plantele, animalele oameniisunt agregate de miliarde de componente elementare care au fost ulterior numite ceEule. Acestea r^"-lt. au o structuri comun6 foarteJU

complexd dar se prezintd qi cu o foarte mare varietate de forme qi fi.rncfii (celule nervoase, hepatice, epiteliale, musculare etc.). Cea mai mare parte din ele dispun de facultatea de a se reproduce prin s impld diviziune (reproducere partenogeneticd sau uniparentald). Amintim cd prima diviziune celulard a fost vdnfid de botanistul Hugo von Mohl in 1835. Aceasta a ficut pe celebrul anatomist R. Virchow sd formuleze principiul ,,omnis cellula ex cellula" (orice celuli provine numai din altd celul6) care a devenit un principiu de bazd al biologiei. Acest principiu evident pune probieme de transmisiune de caractere ereditare insd de astd datS la un nivel microscopic (dintr-o celuli hepaticd rezultd doud celule tot hepatice, dintr-o celuld epitelialS rezultd doud celule tot epiteliale9.a.m.d.). Putem considera metaforic cd in organismele

vii existb mai

multe rase destul de stabile de celule diferite. Formarea acestor rase este rezultatul unui proces de diferentriere - in cursul perioadei embrionare - a unor celule primordiale rezultate din diviziunile celuiei ou, iar menlinerea lor este rezultatul unormecanisme stabilizatoare sau conservatoare. Trebuie s5 specificim ci avem doud supelrase de celule in fiecare organism viu. Unele celule asigurd doar reproducerea, iar cel elalte formeazd, organismul propriu-zis. Marele naturalist german Fr.L.A. Weisman, unul din ctitorii geneticei moderne, a fost primul eare a frcut o distinclie intre celulele implicate in formarea spermatozoizilor gi ovulelor gi apoi a oului, pe care le-a numit celule germinale qi celelalte celule ale organismului pe care le-a numit celuile somatice. Celulele germinale sunt singurele implicate in transmisiunea caracterelor ereditare. Ele cuprind liniile germinale de celule din ovar (ovogoniile, ovocitele, ovotidele qi ol'ulele sau gamelii feminini) qi din testicole (spermatogoniile, spermatocitele, spermatidele qi spermatozoizii sau gamefii masculini).

JI

11

Fr.L.A.. Weisman (1834-1914)

Numai aceste linii germinale transmit caracterele ereditare de la pirinfi citre celulele somatice ale noului embrion care provin din diviziunile celulare succesive ale oului(celulei ou). in acest sens Weisman a definit o barieri care permite celulelor germinale sd genereze celulele somatice dar impiedica celulele somatice sd aibd vreo acliune asupra celor germinale. Caracterele ereditare se transmit agadar numai de la celulele germinale la cele somatice qi nu invers. De aceea caracterele epigenetice cdqtigate prin adaptare sau invdlare nu se transmit ereditar. Aceastb barierb a sprijinit modelul darwinian al evolulionismului gi a invalidat modelul lui Lamark care susfinea ci unele caractere cAgtigate in cursul vielii pot fi transmise ceea ce ar fi presupus influen{area celulelor germinale de cltre cele somatice. Weisman a fbcut ;i unele speculalii teoretice. El a considerat cd celulele germinale care se transmit din generalie in generalie formeazd plasma germinall care este eternd qi din care emerg celulele somatice care formeazd succesiunile de organisrne individuale care insi sunt trecdtoare.

La inceputul secolului XIX era clar cd

transmiterea

caractereior ereditare era efectuatd la nivel celular. Numai cd tehnicile de microscopie nu erau incd suficient de evoluate (nu exista microtomul qi coloranlii folosili erau departe de a satisface nevoile) pentru a descifra mecanismele respective. Cu toate acestea Ernest Haeckel a atras atentia cd din toate structurile32

celulei rnucleul este cel implicat in ereditate. Aceastd idee s-a dovedit a fi adevdrata qi a devenit o dogmd in genetic5.@, {nrl

G.

l1l

,tT

ry_

Schema celulei animale tipice cu organitele celulare componente: (1) Nucleol; (2) Nucleu; (3) Ribozomi; (4) Vesicule; (5) Reticul endoplasmatic rugos (RER); i6) Aparatul Golgi; (7) Citoschelet; (8) Reticul endoplasmatic neted (REN); (9) Mitocondrie; (10) Vacuole; (11) Citoplasmd; (12)Lizozom (13) Centriolii din centrosome. (sursa: www...)

Nucleul celulelor apare aa o veziculd formatd dintr-o membranb cu pori gi umplutd cu o substanld amorfb in careoluteqte un nucleol mai intens colorat"

Nucleu cu nucleol gi cu membrana cu pori

JJ

Nu micb a fost mirarea botanistului E. Strasburger cind in I874 a vhntt cum tn cursul diviziunii celulare nucleui dispare qi in locul lui apare o grdmadi de mici structuri ca nigte X-uri curbate intens colorate, aspect confirmat apoi de cdtre W. Hoffmeister (1848). Din cauza acestei colordri intense aceste fragmente au fost numite in 1888 de marele biolog berlinez H.W. Waldeyer (1836-1921) cromozomi termen care va face o carieri de excepfie. El provine de la Xpritpa (croma) : culoare qi orilpu

(soma): corp.

ffi#'aq{"rI

*.i{* : .

.;'-r:

'

-

i:l;:i;f

?

ff;#-

..a]

r' ,,.:,r tt

,q

ffi

w,W;rs.l* ffi.r\:;&tt ,!,_,..

I l.rr1i

't1

,ffi

ffi

6giP.s-."'

ie. .-

.

r_d", ,ltF.,I ', , rgjf:ri''tirll-i1

'..:11:,

Celule in diviziune cu cro mozomi vizibili (dup[ Dr6goiu)

ffi

'W,.i

**,, !*rr

Un cromozom - numai in perioada de diviziune -

forrnat din dou6 cromatide Ele formeaz| in general un fel de X cu patru brale. Fiecare cromozom are un indicativ (o etichetS) numeric (cromozomul 1" 2 sau23)"

este identice reunite printr-un centrormen".

(i)

CROMATTDE

{b}

iVlodelul sub*retacentric clasic de cncrnozom J4

func1ie de pozilia centromerului se disting mai muite tipuri de cromozomi. Cel mai clasic este cel ce dispune de doud bra{e lungi qi doud brafe scurte. Este vorba de varianta de cromozom submetaceuntric pe care o gdsim la orn la cromozomii :,4, 5,6,7,9,9, 10, Ll, 12, 162, 17, 19, 19,20 $i x" Brafele iungi sunt denumite in codificarea internalionalb cu litera q (de la queue : coadd in francezd) iar brafele scurte cu litera p (de Ea petit = mic in francezd). Astfel bralul lung al cromozomului 7 este codificat 7q iar bralul scurt al cromozomului 9 este codificat 9p. in cursul acestei luqdri vomrclosi aceastd notalie.

in

cromozomi ntimili rmefacemtrficfi au centromerul la nijloc ai toate brafele egale. Aceastd variantd o g6sim la rromozomii I qi 3. Un alt tip de cromozomi, numili acrocemtrici au bra{ele scurte foarte scurte deoarece centromerul se afld foarte aproape de extremitatea bralelor scurte. E vorba de cromozomii li,14,15, 21,22 qiY.M ffi ffieq

Alli

e?ry

w

':a.a::

# M

r+ ,::

M.' ffi ,ffi t1llF

trffiH*

ffiqffi4W

# %-:,-1.5

flF*b;

#

##1

wffi*Ets].ff

w

ffi#

ffi#.ll

*

*?4

fllrcmo*sme

&fe;freenfrir

Cfirsmss.*rfl*

Chrc*iB*qnl*

5 E&ffefsEentrk

rr*cenfrr'c

Se mai giseqte o variantd rurd numiti felomericd in care centromerul se afl5 chiar la nivelul extremitdlilor bralelor. Aceste

extremitSli ale bralelor sunt nurnite telounere qi au un rol protector pentru cromatide, erodarea lor cu timpul fiind c onsideratd unul din mecanisrnele imbdtr6nirii.1E JJ

FFdk

Fffi HK

Fl F ffi@ hd td

@@

|| mru

GG@M

hdH bi td

Effi EEM EE WH !s@ EEMK tJH

L.U.,..

IJ IJ Mkd

HH HH HH idH

HH ffiwffi@

HH$BfrHEEtrffi ffiffi HFw@

Hffi4

Fffi

MM

ffifl2

Eg

Cariofipul uman (Univ. din Washinglon) Liniile orizontale indicd pozilia centromerului

Studiul microscopic al cromozomilor este relativ simplu. Se preiau ceiule (de obicei lirnfocite din singe) din care se realizeazd o culturS in vitro" Se blocheazdinmetafazd(cdnd apar cromozomii) mitozele eventuale cu colchicind. Se umfli celulele respective prin plasarea lor intr-o solulie hipotond. Ulterior suspensia de celule se fixeazd cu un fixator gi apoi se etaleazd pe o lamd de microscop pe care se coloreazd de obicei dupd o prealabil6 tratare cu tripsini. Cromozomii devin vizibili.Imaginea microscopicd se poate fotografia. Se identificd qi se decupeazd fiecare pereche de cromozomi. Aceste decupaje se lipesc apoi pe o hdrtie in ordinea numerotirii lor .Ansamblul astfel oblinut se numeqte cariogram6 qi poate fi fotografiat la rdndul sdu. Folosind anumili coloranli (colorantul Giemsa) cromozomii prezintl la examenul microscopic numeroase dungi transversale colorate (benzile G) altern6nd cu dungi decolorate36

toate de grosimi variate care rcalizeazd niqte configuralii specifice pentru fiecare cromozom. Aceste strialiuni exprimd anumite particularitSli locale ale structurii moleculare acromozomilor gi permit identificarea acestora. Porliunile colorate (leeterocromatice) sunt lipsite de activitate de exprimare a genelor, in timp ce cele decolorate (eucromatice) conlin geneactive.Cu alli coloranfi se oblin altebenzi ca: benzile R (sunt inversul celor G cdci eucromatina este coloratd qi heteroicromatina este decoloratl) benzile Q (ce se oblin cu quinacrina fluorescenta) benzile C (ce coloreazd centromerele) benzile T (ce marcheazdtelomerele) etc.

A$a cum am mai spus benzile rcalizeazd configura{iispecifice pentru fiecare crornozom. Ele sunt identice pentru cele douh cromatide surori ale unui cromozom. Configuraliile respective servesc in studiile de geneticd comparatd la stabilirea printre altele a unor arbori genealogici binari (cladograme) de succesiune a speciilor.Nu trebuie confundate aceste strialii vizibile cu microscopul optic cu genele care au un alt ordin de mdrime (de ordin molecular).

@1!.n

ry

.s,tu,

Cromozomi cu benzile caracferistice

in unele cazuri e nevoie de informafii mai multe decdt cele oblinute prin colorarea benzilor cromozomiale. In aceste cazurl se foloseqte a$a numitul cariotip spectral care se obline folosind coloranfi fluorescenli qi un microscop special. Fiecare pereche de cromozomi apare intr-o coloraliediferit5.

.1.1

Spectro cariotip

Din cele de mai sus rezultd c5 substanla din nucleul celular se poate afla in doui stiri diferite: una in care cromatidele sunt diluate qi invizibile in conlinutul nucleului in perioada cdnd celula nu se divide (aga numitd interfazd) qi alta condensatd ctnd cromatidele sunt compacte, vizibil,e qi intens colorate. in aceasti formd condensati cromatidele numai iqi exercitd funcfiunile in celul5 ele fiind ,,ocupate" doar cu procesul de diviziune. De asemenea trebuie menlionat ci atunci cAnd sunt condensate cromatidele pot avea doud aspecte. in cursul primelor perioade ale diviziunii (profaza qi metafazd) cromatidele sunt dublate qi au aspectul de X, iar in ultima parte a diviziunii (anafaza gi telofaza)cromatidele sunt desp6rlite, solitare qi au forma unor bastonaqe. O metodi foarte rapidd de analizd a cromozomilor este analiza fluoroscopici (,,flow karyiotyping"). Aceasta pune in evidenfd numdrul gi dimensiunea cromozomilor, dar gi unele anomalii ale acestora (delefii, translocafii, inserlii despre care vom vorbi in altd parte).

38

9- 1222,V I I

lt

ll,,

ii ri/1

,^JiiJ

I i/'*'[,\,

lii

l,u

7

d

u

s t4)1,.11

2,1

r.i rrr'i.'{

tlJ-A+{

/

liI?Hs*r,i,+

Analwd, fluoroscopicl a unui cariotip uman

Se face o suspensie de cromozomi aflati in cursul diviziunii (in metafazd) gi se coloreazd, cu un colorant fluorescent (bromiud de ethidium. sau simultan cu chromomicin A.3 gi Hoechst 33258). Suspensia respectivd se scurge rapid printr-un tub in care este bombardatd cu raze laser care activ eazd, fl uorescenf a. (,,fuorescence activated chromosome sorter" FAC S). Aceasta este detectatd, mdsuratd gi stocatd intr-un calculator care prezintd apoi rezultatele ca o histogramd sub forma unei curbe cu vArfuri, fiecare vdrf corespunz6nd unui anumit cromozom. inil{imea vAr"fului exprim6 cantitate de ADN din fiecare tip de cromozom iar ldrgimea vdrfului numdrul de cromozomi de tipul respectiv.

Menliondm cd metoda este statistici. Ea nu dE informalii despre un cromozom anumit ci doar despre mullimile de cromozomi de diferite tipuri din suspensia studiatd. O altd metodd permite vizualTzarea coloratd a fiecdrui cromozom printr-o znalizil spectrali a cariotipului (,,spectral karyiotypi

Analizi spectral[ a cariotipului39

din fragmente de ADN colorate cu cdte o culoare pentru fiecare tip de cromozom. Cu aceste fluorescent probe se coloreazd cromozomii unui cariotip in cursul unui proces de diviziune caxe apar fiecare individualizat cu o culoare proprie ce permite identificarea lui ca qi a prezentei unor anomalii.Se utilizeazb un set de probe formate

interfazd, cromozomii sau mai exact cromatidele nm sunt vizibili. Cu anumite coloralii fluorescente insd se poate vedea cd in tnterfazd fiecare cromatidd ocupe un cornpartiment din nucleu care poate fi identificat mai ales dupd o prelucrare digitalE. Aceste compartimente au o anumitd organizare spaliald care nu este aleatorie. Nu se cunosc mecanismele care asigurd pozilionarea cromatidelor in nucleul interfazic.

in

Analiz6 spectralI a cromozomilor

+t)

Este meritul naturalistului belgian Eduard van Beneden r 1846-1910) de a fi fbcut una din cele mai importante descoperiri ale geneticei. El a fost primul care a afirmat c6 numdrul cromozomilor este caracteristic gi eo*stant pentru fiecare specie t1883). Astfel omul are 46 de cromozomi, cimpanzeul are 48, cAinele 78, porcul 38 etc.Imperecherile dintre animale cu numdr diferit de cromozomi nu sunt tertile, sau progenitura lor este sterila (ca in cazui asinului ;i catArului). Existd totuqi exceptii. Astfel imperecherile dintre calul sdlbatic Przer.r'alski ;u 56 cromozomi gi calul dornestic cu 64 de cromozomi produc progenituri ;u 65 de crornozomi fertile. Cromozomii ar fi rdmas niqte formaliuni interesante numai pentru histologi dacd W. Sutton gi T. Boveri nu ar precizat

separat) cd aceqti minusculi cromozomi sunt mijlocitorii biologici ai transmiterii mendeliene a caracterelor ereditare (aga zisa teorie Sutton-Boveri). Degi aceastb idee a fost publicatd inc6 din 1903 ea a fost luatd in considerare de abia 12 ani mai tdrziu datoritd cercetirilor lui Morgan. Unul din aspectele cele mai fascinante ale biologie este desigur mecanismul transmiterii materialului nuclear de la celula mam6 la cele doub celule fiice in cursul inmullirii celulelor prin diviziune. Procesul se nume$te nmitozd gi este propriu pentru toate eelulele cu nucleu (eucariote) ale plantelor gi animalelor" El a fost descris prima oard de Strasburger.condensarea cromatidelor in timp ce membrana nucleului se destructureazd iar

(fiecare

in mod

fi

Procesul

de diviziune incepe prin

celula se bipolarizeazd, aspecte ce definesc prima fazd a procesului de diviziune numiti profazu. in cursul acesteia fiecare cromatidS se dubleazd prin replicare realizdnd o copie a ei cu care irnpreuni formeazd un cromozom. Este operalia cruciali dedublare a materialului genetic din celul6.

.4.1. TI

P110Fi;.:1,"r

Condensarea cromatidelor care devin vizibile

Duplicare cromatidelor gi formarea cromozomilor

Infaza unndtoare numit6 metafazf cromozomii (dubletele in formi de X de cromatide) migreazd qi se dispun la mijlocul celuiei in planul ecuatorial la nivelul cdruia se va producediviziunea celulei.JfiET,fi.F.'iZjr

".o*oliil#;"1"#:iff !;lHff:?":;fi i,ii:i"",,,",Dupd aceea in amafazi fiecare cromozom se scindeazd,in cele doud cromatide cel compun. Este momentul esenlial c6nd materialul genetic vechi se separS de cel nou realizdnd diviziunea cariotipului inainte de cea a celulei.+/.

Al'!.1"r.FAZr:r

Divizarea cromozomilor in cromatide fiice gi deplasarea acestora spre polii

fazd" affi$ili"rli numitd telofazd fiecare din cele doud cromatide ale fiecdrui cromozom se depirteazd una de alta gi migreazd spre cAte unul din cei doi poli ai celulei unde tbrmeaz6 cite o grimadd ce se inconjoard de c6te o noud

in fine in ultima

membrani nucleari devenind invizibile (ne mai rimdn6ndcompacte).TEL0F.t\ZA

Ul'iA Dll'lCELE

ooui-rCFLULEFIICE

Celulele sunt separate,membrana nucleari este prezenta iar cromatidele au devenit invizibile

Aa +J

Apoi corpul celulei se scindeazd qi fiecare jumdtate cu noul sdu nucleu formeazd cAte o noud celulS fiicd avdnd printre altele acelagi numir de cromozomi (cromatide) ca celula mami.Datoritl acestui proces de diviziune care apare periodic existenfa unei celule are un aspect ciclic care cuprinde succesiuri regulate a uneilungi perioade stabile gi funcfionale (ce defineqte interfaza) qi a unei scurte perioade de diviziune in cursul cdreia se succed profaza, metafaza, anafaza pi telofaza.

in cursul interfazei in cromatidd are loc o intensd activitate de sintezd a proteinelor. Ea cuprinde o primd pericadd Gr ?ncursul cdreia structurile subcelulare (organelele) se divid qi ele, o a doua perioada S in care cromatida este ,,preocupat6" doar de sinteza proteinelor qi o penioadd G2, in cursul cdreia nucleul incepe sd se pregdteascd de diviziune. Toatd dinamica acestui ciclu este realizatd cu ajutorul unor enzime cyclin-dependente (care nu sunt active decAt dacd sunt legate de o proteind numitb cyclind). Acest ciclu are o duratd constantd pentru fiecare tip de celuli la fiecare specie. Astfel acest ciclu pentru fibroblastul uman este de circa 16 ore. Din aceste ore durata interfazei este de aproximativ 90o/o din durata intregului ciclu.

Fosfoaitar6

Am vdzut cd numdrul cromozomilor estepentru fiecare specie.

caracteristic

La Homo sapiens sapiens numiral cromozornitror dincelule somatice este de 46. Trebuie sd specific6m cd 44 din ei formeazd 22 de perechi de cromozomi asemdnitori fiecare pereche avdnd aspecte gi dimensiuni diferite. in fiecare pereche unul din cromozomi provine de ia tata ;i celalalt de la mami. .{nsamblul crornozomilor se numegte cariotip. Acegti

cromozomi

se numesc crornozomi autosomali. Ei

sunt

desemnali prin cifrele l-22 Si ordonali in func1ie de lungimea 1or. Acegti cromozomi sunt gr*pa1i in 7 grupe A(1-3), B(4-5), C(6-12),D(13-1s), E(16-18), F(19-20) ei G(21-22).

A nu se confunda perechile de cromozomi cu perechile de

crornatide care formeazd,un cromozom. De asemenea amintim cd perechile Je cromatide care reahzeazd, imaginea clasicd a crornozomului in formd de X nu se intAlnesc decAt in pro gi telofaz6,. in rest nu existd. dec6t cromatide ca in figura de mai sus.

Cromozomii din perechea 23 sunt diferili de ceilalli. Pentru ch de ei depinde sexul fiinlei respective se numesc sexcromftozomi. Existd doui tipuri de sexcromozorni: crornozomul Y qi cromozomul X.Grorr"ioxot'iil )ii

Ni_

Crcn-ruzt:rii

'l

Sexcromozomii

4a

Cromozomul

X

este legat de feminitate,

in timp ce

cromozomul Y este corelat cu masculinitatea. Are 50 de milioane de perechi debaze. Cromozomul Y este cel mai mic cromozom qi este pe cale sd se micgoreze in continuare gi probabil va dispare peste vreo 10 milioane de ani. S-a individualizat acum circa 350 milioane de ani. Pe atunci avea 15.000 de gene iar astdzi mai are doar dupd unii 40-50 de gene dupd al1ii 200 de gene pierzAnd cam 5 gene la fiecare milion de ani. Rolul siu in determinarea sexului masculin il joacd printr-o gend numitd SRY situatd pe bralul s6 scurt. La exemplarele feminine perechea a 23 este formatd din doi cromozomi X, in timp ce la exemplarele masculine aceastS pereche cuprinde un cromozom X qi unul Y. La femele unde avem perechea XX unul din cromozomi este inactivat, gi de aceea devine compact chiar in interfazd, fiind vizibil sub forma corpusculului lui Barr care permite stabilirea sexului cdruia ii aparline o celuli.

Nucleu cu corpusculul lui Barr

46

Obligalia de a menline constant numirul cromozomilor a creat necesitatea ca atdt spermatozoizii c6t qi ovulele sd aibd rumai jumitate din numdrul cromozomilor speciei respective :entru ca prin fuziunea celor doi gameli in cursul fecunddrii :elula ou sd aibd num6ru1 necesar de cromozomi. Am vdzut cd, zestrea cromozomiald a unei celule umane cuprinde un numSr determinat de perechi de cromozomi (2n cromozomi). O astfel de inzestrare se numegte diploidd. Gamelii trebuie sd aibi insd 'um6tate din acest numdr (n cromozomi). O astfel de formuld se rumeqte haptoidi. Generarea gamelilor implicd trecerea de la un :ariotip diploid la unul haploid. Trecerea aceasta se face printr-un mod de diviziune :elulard numitd meioz6 care a fost descris la plante de van 3eneden qi la animale de O. Hertwig. Prin aceastd diviziune se .poreqte materialul genetic qi se reduce numirul de cromozomi. Je aceea este nevoie de doud diviziuni succesive care duc de la ,-' celuld mamd la patru celule fiice (nu doud ca in cazvl nitozei)(Drbgoiu). In cursul primei meioze - in profazd se dubleazd 'naterialwl genetic prin duplicarea cromatidelor gi aparilia -'iomozomilor - in formd de X - cu doud cromatide surori ca in --azul mitozei. Cele 2n cromatide devin 2n (la om 2x23):romozomt"

t ).,

,.i a

t:

t'i

i

rtfiAA

A H

W

hl

H eilE

.z!' ;f'

?*.rfl

:.t :ir

:a

9'.iI

ri ' 't;l: :. ,i I !-l i a; rj ll .! :: i ii.t -!

;