Motive pentru a studia genetica

Motive pentru a studia genetica

Genetica este definita succint ca stiinta ereditatii si variabilitatii organismelor.

Genetica intre anii 1900 și 1910

In anul 1906 biologul englez William Bateson (1861-1926) a propus termenul de genetica (gr. gennao - a da nastere) pentru noul domeniu al biologiei pus in slujba investigarii legilor care guverneaza ereditatea si variabilitatea organismelor. Dupa Bateson, se poate vorbi despre ereditate si variabilitate atunci cand sunt comparate diferentele si, respectiv, asemanarile dintre organisme inrudite genealogic.

Dupa DEX, prin ereditate se inTelege proprietatea vietuitoarelor de a transmite descendenților caracterele specifice, termenul provenind de la lat. hereditas -moștenire.

Ereditatea, ca obiect de studiu al geneticii reprezinta insusirea descendentilor de a mosteni de la parinti caracteristici asemanatoare. Aceasta insusire asigura stabilitatea caracterelor de-a lungul generatiilor, continuitatea biologica a indivizilor in cadrul speciei de la o generatie la alta. Potentialitatea realizarii acestui caracter se face prin intermediul genelor.

Dupa DEX, prin variabilitate se ințelege proprietatea vietuitoarelor de a-si schimba sub influenta ereditatii si a mediului, insusirile morfologice, fiziologice si biochimice.

Variabilitatea ca cel de-al doilea obiect de studiu a geneticii, reprezinta insusirea organismelor vii, care au diferite grade de inrudire, de a se deosebi intre ele. Altfel spus este proprietatea organismelor vii de a prezenta diferente interpopulationale, intrapopulationale sau intrafamiliale. In natura nu exista doi indivizi identici. Chiar si gemenii uniovulari sunt diferite din punct de vedere genetic, ei manifestand profile imunologice diferite, constituite in primele sase luni de viata (BOTEZ, 1991).

Variabilitatea poate fi ereditara si neereditara.

a) Variabilitatea ereditara se transmite in descendenta, de la parinti la urmasi si are ca sursa recombinarea genelor in procesul de formare a gametilor si fecundare (variabilitate recombinativa), sau prin modificarea materialului genetic sub actiunea unor factori mutageni (variabilitate mutationala).

b)    Variabilitatea neereditara este determinata exclusiv de influenta conditiilor de mediu si cu toate ca nu se transmite la descendenti, face parte din aspectul fenotipic al unui anumit individ. Variabilitatea fenotipica, sau diferentele constatate intre indivizi are doua surse primare si inseparabile de variabilitate: variabilitatea genotipica si variabilitatea indusa de mediu sau ecologica. Aceasta relatie poate fi exemplificata prin formula V_P=V_G+V_E, in care V_P reprezinta variabilitatea fenotipica; V_G reprezinta variabilitatea genetica si V_E variabilitatea ecologica.

Bateson a recunoscut importanța legilor mendeliene ale ereditații, care au fost redescoperite concomitent și independent in 1900 de trei botaniști: Hugo de Vries in Olanda, Carl Correns in Germania și Erich von Tschermak in Austria.

Legile mendeliene ale ereditații sunt denumite astfel dupa calugarul augustinian Gregor Mendel, care a trait intre anii 1822-1884 (Fig. X) și care a realizat experiențe de hibridare la mazare, in gradina manastirii din Brno (Republica Ceha), in 1865 (Fig. X). Mendel a observat ca ereditatea are la baza existența unor factori ereditari, independenți unul de altul, care se transmit de la o generație de plante la urmatoarea dupa un model previzibil, fiecare factor ereditar fiind responsabil de un caracter fenotipic.

Genotipul reprezinta totalitatea genelor continute de un organism.

Fenotipul reprezinta suma insusirilor morfologice, fiziologice, biochimice si de comportament a unui organism ca rezultanta a interactiunii dintre genotip si mediu.

In anul 1909 biologul danez Wilhelm Johannsen (1857-1922) a atribuit factorilor ereditari denumirea de gene. Deși importanța fundamentala a concluziilor lui Mendel nu a fost recunoscuta pana in anul 1900, incepand cu anul 1901 legile mendeliene au fost sistematic analizate la animale, plante și om.

S-a observat astfel ca la om, multe maladii au transmitere ereditara, brahidactilia fiind citata ca avand transmitere autosomal dominanta inca din 1902 de catre W.C. Farabee (PhD Thesis, Harvard University, 1902).

Cromosomii au fost observați in celule aflate in diviziune mitotica de catre Flemming, in anul 1879 și in diviziune meiotica de catre Strasburger, in anul 1888. Tot in 1888, Waldeyer a folosit termenul de cromosomi (gr. chroma - colorat; soma - corp).

In absența unor fundamente chimice sau citologie, inainte de 1902 nu a fost suspectata existența unei relații funcționale intre gene și cromosomi, excepție facand afirmația lui Theodor Boveri (1862-1915) din anul 1902, conform careia pentru dezvoltarea normala a unui organism nu este necesar un anumit numar de cromosomi, ci o anumita combinație a acestora, sugerand astfel ca fiecare cromosom prezinta particularitați diferite.

Genetica a devenit un domeniu științific independent in 1910 cand Thomas Hunt Morgan (Fig. X) a introdus musculița de oțet (Drosophila melanogaster) in studiile sistematice de genetica, realizate la Universitatea Columbia din New York. Studiile sale realizate la Drosophila melanogaster, sintetizate in anul 1915, in teoria cromozomiala a ereditații, au demostrat ca genele sunt plasate liniar pe cromosomi.

Matematicianul englez G.H. Hardy și fizicianul german W. Wienberg au aplicat independent, in anul 1908, regulile ereditații mendeliene in analiza structurii genetice a populațiilor. Studiile lor au contribuit la introducerea cu succes a conceptelor genetice in ameliorarea plantelor și animalelor.

In 1902, Archibald Garrod (1857-1936), a demonstrat ca patru maladii metabolice congenitale (albinismul, alcaptonuria, cistinuria și pentosuria) au un mod de transmitere autosomal recesiv și le-a denumit "erori congenitale de metabolism" (1909). Garrod a fost primul care a observat deosebirile biochimice subtile dintre indivizii aceleași specii, determinate de diferențele genetice existențe intre aceștia. El a sugerat ca diferențe genetice minore pot fi cauza apariției acestor maladii. Garrod, impreuna cu Bateson, a introdus o serie de concepte genetice in medicina, intre anii 1902-1909. Probabil ca urmare a absenței informațiilor privind structura și funcționarea genelor, conceptele lui Garrod nu au fost imediat recunoscute, dar astazi este general acceptata ipoteza conform careia susceptibilitatea genetica individuala pentru maladii reprezinta un factor important in cauzele acestora (Childs, 1999).

Secventa de ADN nu este constanta, fiind diferita la indivizii inrudiți aparținand aceleași specii. Frecvența acestor diferențe individuale a fost aproximata la una per 10 000 de perechi de nucleotide in ADN uman. Ele apar in regiunile necodificatoare și sunt cunoscute sub numele de single nucleotide polymorphism (SNP). Se considera ca, diferențele genetice individuale care influențeaza eficiența cailor metabolice sunt cele care predispun la boli, acestea din urma fiind rezultatul interacțiunii mai multor gene, adesea in combinație cu influența unor condiții particulare de mediu. De aemenea, diferențele genetice individuale sunt responsabile de rezistența sporita la imbolnaviri a unor indivizi. Aceste diferențe genetice individuale reprezinta ținta terapiilor individuale realizate cu substanțe farmaceutice specifice, cu o inalta eficiența și fara efecte secundare (Domeniul care investigheaza aceste aspecte poarta denumirea de farmacogenetica).

Eugenismul - conceptii gresite in genetica

Eugenismul, termen introdus in știința de Francis Galton in 1882, reprezinta a teorie care preconizeaza ameliorarea populațiilor umane prin mijloace genetice (alegerea parinților, sterilizarea, interzicerea procrearii etc).

Intre 1900 și 1935 multe țari au adoptat legi care au condus la interpretarea greșita a eugenismului. Se credea ca, rasa alba era superioara altora, susținatorii acesetei idei necunoscand faptul ca, din punct de vedere genetic, nu exista rase umane. Eugeniștii credeau ca sterilizarea indivizilor afectați de boli ereditare va conduce invariabil la imbunatațirea (ameliorarea) societații umane. In 1935, legea sterilizarii a fost aprobata in Danemarca, Norvegia, Suedia, Germania, Elveția și in 27 de state americane, indivizii cu deficiențe mentale, epilepsie, criminalii și homosexualii fiind prinicipalele ținte. Deși in majoritatea cazurilor scopul era eugenic, sterilizarea era practicata mai mult din motive sociale decat genetice.

Probabil ca, aceasta interpretare greșita a eugenismului (care susține ideea inegalitații biologice și intelectuale a raselor umane, a imparțirii oamenilor in rase inferioare și superioare) avea la baza absența oricaror cunoștințe privind structura și funcționarea genelor, considerandu-se astfel ca "genele rele" puteau fi eliminate din populația umana. Astazi se cunoaște faptul ca, bolile țintite fie nu sunt ereditare, fie au un fundament genetic complex, astfel ca sterilizarea nu reducea frecvențele genelor implicate in apariția retardului mintal sau a altor maladii. In Germania Nazista, eugenismul a fost folosit ca pretext pentru discriminarea și uciderea a milioane de oameni, declarați "lipsiți de valoare" ("worthless") (Müller-Hill, 1989; Vogel și Motulsky, 1997; Strong, 2003). Toate motivele genetice erau și sunt total invalide, cunoștințele genetice incomplete, la acea vreme, fiind aplicate pe indivizi umani.

Astazi este evident ca maladiile genetice nu pot fi eradicate și nimeni nu este protejat impotriva afecțiunilor genetice. S-a aproximat ca, fiecare individ prezinta circa cinci sau șase modificari potențial daunatoare in genom, care se pot manifesta ca maladii genetice la descendenți.

Aparitia geneticii moderne intre 1940 si 1953

Beadle și Tatum au demonstrat, in 1941, ca la ciuperca Neurospora crassa o gena este responsabila pentru formarea unei enzime, relația stransa dintre genetica și biochimie devenind astfel evidenta și in acord cu conceptele lui Garod privind erorile congenitale de metabolism. Studiile de genetica au luat amploare, in 1943 Salvador E. Luria și Max Delbrück evidențiind apariția mutațiilor la bacterii, iar in 1947 Hershey a observat mutații spontane la bacteriofagi. Recombinarea genetica a fost demonstrata in 1946 de catre Lederberg și Tatum la bacterii, iar la virusuri in 1947 de catre Delbrück și Bailey.

Genetica si ADN

O descoperire majora a fost aceea a lui Avery, MacLeod și McCarty la Institutul Rockefeller din New York, in 1944, conform careia acidul dezoxiribinucleic (ADN) este purtatorul informației genetice la bacterii. De altfel inca din 1928, F. Griffit a descoperit fenomenul de transformare la bacterii cu ajutorul ADN. In 1952, Hershey și Chase au subliniat ca numai ADN este purtatorul informației genetice, fiind excluse alte tipuri de molecule. Odata cu aceasta descoperire, atenția cercetarilor s-a concentrat pe elucidarea structurii ADN. James D. Watson, un american in varsta de 24 ani, și Francis H. Crick, fizician englez in varsta de 36 ani, de la Laboratorul Cavendish de la Universitatea din Cambridge, au propus intr-un articol de numai o pagina in revista Nature, structura dublu helix a ADN (Watson și Crick, 1953). Deși nu a fost imediat recunoscuta, acesta descoperire a fost piatra de temelie a geneticii moderne din secolul al XX-lea. Aceasta conformație dublu helicoidala a ADN a fost conceputa pe baza modelului obținut prin difracție cu radiații X (Fig. X), de catre Maurice Wilkins and Rosalind Franklin. Franklin argumenta impotriva structurii helicoidale și anunța (impreuna cu R. Gosling) " cu deosebit regret . moartea helixului de ADN, Friday 18th July, 1952. Va avea loc un serviciu memorial . " (Judson, 1996, Wilkins, 2003). Pentru descoperirea lor Watson, Crick și Wilkins au fost distinși cu premiul Nobel, in anul 1962.

In recunoașterea importanței ADN, semnificativa a fost și descoperirea lui Chargaff, in 1950, care arata ca nucleotidele conținand guanina erau prezente in aceași cantitate cu cele conținand citozina, iar adenina in aceași cantitate cu timina.

Structura dublu helicoidala a ADN, cu perechile de nucleotide spre interior, explica doua mecanisme genetice fundamentale: stocarea informației genetice intr-un model liniar, transcriptibil și replicarea informației genetice pentru a asigura transmiterea ei cu acuratețe de la o generație la alta.

Dublul helixul de ADN consta din doua lanțuri complementare (Fig. X) in care alterneaza moleculele de zahar (dezoxiriboza) și moleculele de monofosfat, orientate in direcții opuse. In interiorul moleculei helicoidale de ADN sunt perechile de baze azotate. Fiecare pereche consta dintr-o baza primidinica și una purinica, fie citozina (C) și guanina (G), fie timina (T) și adenina (A).

Descrierea ADN ca un dublu-helix a condus direct la intelegerea unei posibile structuri a informației genetice. Cand F. Sanger a determinat determinat secvența de aminoacizi a insulinei, in 1955, a dovedit astfel, pentru prima data, structura primara a unei proteine.

Figura X Modelul ADN obtinut prin difractie cu radiatii X

Acesta descoperire a stat la baza concepției conform careia secvența de aminoacizi dintr-o proteina poate corespunde cu caracterul secvențial al ADN. Insa avand in vedere ca ADN este localizat in nucleul celulei, iar sinteza proteica se desfașoara in citoplasma, ADN nu poate acționa direct. Astfel, este transcris mai intai intr-o secvența de ARNm, denumit astfel de Crick, Barnett, Brenner și Watts-Tobin, in 1961, atunci cand a fost descoperit. Codul genetic pentru sinteza proteinelor de la ADN la ARNm a fost determinat in 1963-1966 de catre Nirenberg, Mathaei, Ochoa, Benzer Khorana și alții.

Figura X. Structura macromoleculei de ADN

Metode moderne in dezvoltarea geneticii dupa 1953

Inca de la inceput, genetica a fost un domeniu puternic influențat de dezvoltarea unor noi metode experimentale. Introducerea culturilor de celule a avut o importanța particulara pentru studiile de genetica la om. G. Pontecorvo a introdus analiza genetica la culturile de celule eucariote in 1958. Studiile de genetica la mamifere, cu o importanța semnificativa pentru srudiile de genetica la om au fost facilitate de metodele de fuziune a celulelor in cultura (hibridarea celulara; T. Puck, G. Barski, B. Ephrussi, 1961) și de determinarea unui mediu de cultura adecvat pentru selecția de mutante (mediul HAT elaborat de Littlefield in 1964). Galatosemia, maladie metabolica ereditara, a fost evidențiata pentru prima data in 1961, in cultura de celule umane de catre R.S. Krooth. Numarul corect de cromozomi la om a fost determinat in 1956 de catre Tijo și Levan și independent de catre Ford și Hamerton.

Proiectul Genomului Uman a fost organizat la nivel internațional, fiind implicate o serie de țari sub conducerea centrelor din USA și UK. Principalul scop al PGU a fost determinarea secvenței de 3 miliarde de perechi de nucleotide din genomul uman și sa determine oate genele din ADN. Acest proiect a inceput in 1990 și poate fi comparat cu descifrarea unei scrisori de 1mm lațime și 30 km lungime. Secvența completa a ADN uman a fost publicata in 2004.

Dupa 1970 s-au dezvoltat considerabil cercetarile de inginerie genetica care isi propune: izolarea si sinteza artificiala a genelor, transferul intraspecific si interspecific a genelor, de la organisme procariote la cele eucariote si invers, manipularea materialului genetic la nivel celular prin realizarea de haploizi prin androgeneza experimentala la plante, crearea de microorganisme capabile sa sintetizeze aminoacizi, proteine, hormoni, vitamine, antibiotice s.a.

In 1981, BERG si GILBERT, au reusit sa sintetizeze in vitro si sa construiasca o molecula de ADN-recombinant, prin care s-au demarat spectaculos cercetarile in domeniul ingineriei genetice si ale biotehnologiilor.

Dintre realizarile spectaculoase, in acest domeniu, din ultima jumatate a secolului 20, merita mentionate:

1951 - primul transfer de embrioni la o vaca;

1952 - primul vitel nascut prin insamantare artificiala;

1952 - prima clonare la amfibieni;

1952 - prima planta regenerata in vitro;

1970 - prima planta regenerata pornind de la protoplasti;

1972 - primul hibrid interspecific obtinut prin fuziune de protoplasti (la tutun);

1973 - identificarea plasmidului Ti (tumor inducting);

1978 - identificarea primei gene umane;

1983 - obtinerea primei plante transgenice;

1984 - prima nastere umana, pornind de la un embrion congelat;

1985 - prima planta transgenica rezistenta la o insecta;

1986 - prima clonare la mamifere, utilizand celule embrionare;

1987 - prima planta transgenica rezistenta la ierbicid;

1983 - prima cereala transgenica;

1991 - prima utilizare a unui segment de ADN ca medicament;

1995 - primul copil pornind de la fecundarea in vitro a unui ovocit;

1997 - prima clonare somatica in vitro la mamifere (oaia Dolly);

2001 - descifrarea genomului uman (dupa Mihaela CORNEANU, 2001).

La noi in tara primele cercetari de genetica au fost efectuate inca inainte de 1900. C. VASILESCU (1840-1902) a urmarit in experientele hibridologice modul de transmitere a unor caractere la suine, semnaland fenomenul de dominanta si recesivitate precum si segregare in generatia F₂ (dupa RAICU, 1980).

C. SANDU-ALDEA (1874-1927), a publicat in 1915 primul manual de ameliorarea plantelor fundamentat pe principii genetice.

E. RACOVITA (1868-1947), a dezvoltat teoria legaturii dintre ereditate si mediu.

Gh. IONESCU SISESTI (1885-1963) s-a afirmat prin realizari remarcabile de crearea unor soiuri de grau.

Traian SAVULESCU (1889-1963), fondatorul scolii moderne de fitopatologie la baza careia sta conceptul evolutiei conjugate gazda-parazit si al modificarilor ereditare in urma interactiunilor bilaterale.

N. SAULESCU (1898-1977), are contributii remarcabile in domeniul geneticii cantitative.

In 1936, la initiativa savantului Gh. MARINESCU a luat fiinta prima Societate de Genetica din Romania (BOTEZ, 1991).

Ultimii 20 de ani constituie perioada celor mai remarcabile realizari materializate prin lucrari de mare valoare teoretica si practica.

Prin aplicarea principiilor de genetica, in ameliorarea plantelor s-au facut progrese remarcabile, creandu-se hibrizi si soiuri valoroase, la majoritatea speciilor cultivate.

Au fost obtinuti hibrizi interspecifici si intergenerici la grau (PRIADCENCU, 1901-1975) la Bucuresti, linii homozigote obtinute artificial la porumb (C. BOTEZ) si hibrizi obtinuti din linii dihaploide, haploizi la cartof prin incrucisari interspecifice (PANFIL si MARIN), linii poliploide de trifoi rosu la Cluj-Napoca.

Realizari remarcabile s-au obtinut la Institutul Agronomic Bucuresti mai ales in domeniul geneticii cantitative (T. CRACIUN). Realizari deosebite in domeniul ameliorarii plantelor au fost obtinute de N.N. SAULESCU, la grau, Al. VRANCEANU la floarea soarelui, CABULEA si O. COSMIN, la porumb, L. DRAGHICI la orz s.a.

In domeniul ingineriei genetice s-au obtinut rezultate notabile obtinute de colectivul condus de P. RAICU de la Universitatea Bucuresti, precum si in cadrul Institutului de Biologie si ICCPT Fundulea.