Mutatii genetice

Mutatii genetice

  Genetica poate fi definita succint drept stiinta ereditatii si variabilitatii organismelor. Notiunea de ereditate isi are originea in latinescu hereditas, care inseamna mostenire. Primele observatii asupra ereditatii au fost efectuate in antichitate, cu multe milenii inainte erei lui Christos, atunci cand oamenii au reusit sa creeze primele soiuri de plante si rase de animale. In mod empiric, ei observasera calea de transmitere la descendenti a caracterelor parintilor. Inca inainte de Christos erau cunoscute soiurile de orez obtinute de catre chinezi, rase de caini reprezentate de sculpturile egiptene, precum si diferite rase de porumbei, cai, oi, etc. In secolul al XIX-lea o data cu aparitia aglomerarilor urbane, care necesitau cantitati mari de alimente, si a dezvoltarii industriei, care avea nevoie de materii prime, se dezvolta substantial cunostintele despre ereditate, mai ales cele privind ameliorarea plantelor si animalelor. Au aparut astfel teoriile corpusculare ale ereditatii, ce reluau conceptia atomista a lui Democrit si sustineau in esenta ca in fiecare organ, tesut sau celula exista niste corpusculi care se acumuleaza in celulele sexuale si asigura transmiterea caracterelor la urmasi. Dintre acestea citam: teoria paragenezei a lui Ch. Darwin, teoria plastidulelor a lui E. Haeckel, teoria micelara a lui K.W. Naegeli, etc.

   Apogeul teoriilor corpusculare ale ereditatii a fost reprezentat de teoria plasmei germinative a lui August Weismann care considera in esenta ca imediat ce oul sau zigotul incepe sa se divida are loc o separare a germenului sau a plasmei germinative de soma sau de corp. Transmiterea ereditara a caracterelor se realizeaza exclusiv de catre plasma germinativa, care are o structura discontinua, fiind alcatuita din 'determinanti'. Acestia sunt inzestrati cu capacitatea de a transmite caracterele organismelor de la o generatie la alta. Desi teoriile corpusculare au caracter speculativ, deoarece corpusculii ereditari erau ipotetici, un aspect pozitiv al acestor teorii il constituie incercarea de a gasi un suport material ereditatii.
   Primele legi ale ereditatii au fost descoperite in a doua jumatate a secolului al XIX-lea de catre Gregor Mendel, considerat a fi unul din fondatorii geneticii ca stiinta. Pe baza unor experiente de hibridare efectuate la plante pe timp de mai multi ani, el isi elaboreaza propria teorie asupra existentei factorilor ereditari, care ulterior au fost numite gene si descopera primele legi ale ereditatii. Acestea sunt Legea puritatii gametilor si Legea segregarii independente a perechilor de caractere.

Scurt istoric al geneticii umane

   Primele observatii privind ereditatea umana au fost realizate in Antichitate. Astfel, in mitologia hindusa aflam ca unele calitati omenesti ca forta, robustetea si intelepciunea sunt ereditare, iar Platon, in Grecia antica, pornind de la ideea ca anumite caractere si insusiri se transmit la urmasi, recomanda reproducerea selectiva a oamenilor sanatosi, destepti si curajosi, fiind initiatorul eugeniei platonice ce se practica in cetatea Sparta si prin care se urmarea eliminarea din societate a indivizilor cu defecte fizice sau pshihice. Hipocrate considera ca germenii noului individ sunt produsi de catre intregul organism, atat de partile sanatoase, cat si de cele bolnave.
    Ca urmare, substantele provenite de la organele nesanatoase vor determina la descendenti formarea de organe bolnave. Un merit incontestabil al lui Hipocrates consta in observatia ca indivizii umani sunt foarte deosebiti unul de altul, si ca 'medicul trebuie sa trateze bolnavul, nu boala care se manifesta extrem de diferit de la individ la individ. Observatii mai sistematice asupra ereditatii umane s-au realizat abia in epoca moderna.
    In secolul al XVIII-lea Maupertius a semnalat ca polidactilia este o maladie familiala, iar in secolul al XIX-lea Nasse a studiat regulile dupa care se manifesta familial hemofilia, o cunoscuta boala a sangelui. De altfel, la evrei, inca in Antichitate - in Talmud - scrie ca in familiile unor membri la care se observa pierderi de sange dificil de oprit, se interzice circumcizia. In 1865, F. Galton publica lucrarea *Ereditatea talentului si a caracterului*, in care considera ca , de pilda, talentul depinde de numerosi factori necunoscuti si ca numai cercetari statistice ar putea oferi informatii mai exacte. El conchide totusi ca talentul este influentat si de ereditate, dar apreciaza ca ar fi o utopie incercarea de a ameliora calitatile speciei umane prin procedee de selectie.
    In 1902 apare lucrarea lui A. Garrod intitulata *Incidenta alcaptonuriei, studiu privind individualitatea chimica* in care acesta mentioneaza izolarea acidului homogentisic din urina bolnavilor cu alcaptonurie si remarca frecventa mai mare a maladiei la persoanele consangvine. Deosebit de important este principiul pe care il dezvolta, al individualitatii biochimice a omului. Printr-o alta lucrare a sa, *Erori innascute de metabolism*, A. Garrod pune bazele geneticii biochimice.

    Landsteiner, in 1900, descopera grupele de sange din sistemul ABO si arata ca tipurile respective sunt ereditare. Mai tarziu, prin lucrarile lui Landsteiner si ale altor cercetatori, s-a descoperit factorul sangvin Rh, precum si faptul ca bolile hemolitice ale nou-nascutului se datoreaza incompatibilitatii imunologice dintre mama si fat. In prima decada a secolului al XX-lea se dezvolta ideea eugeniei in Europa si SUA, prin care se considera ca trebuie incurajate casatoriile intre persoanele cu caractere utile (eugenie pozitiva) si descurajate cele intre persoanele bolnave, intarziate mintal (eugenie negativa).
    In Germania, teoria a luat denumirea de *Rassenhygienne*, provenind de la cartea cu acest titlu publicata in 1895 de catre Ploetz. Este vorba de o conceptie mistica despre rasa care sustine superioritatea nordicilor, si care a dus la grave manifestari xenofobe si antisemite. S-a demonstrat ca legile mendeliene ale ereditatii sunt valabile si pentru specia umana. Datorita insa particularitatilor fiintei umane, cea mai uzitata metoda in genetica umana este observatia, si nu experimentul, interzis din motive etice. De aceeea, una dintre tehnicile cel mai des folosite este urmarirea unui caracter sau a unei afectiuni genetice de-a lungul a mai multor generatii.
    Analiza pedigriului este o astfel de tehnica, prin care este prezentata mostenirea unui caracter intr-un sir de generatii succesive. Astefel se poate determina daca un caracter este dominant sau recesiv, daca este determinat de o gena autosomala sau de o gena plasata pe cromozomii sexului. Stabilirea genealogiei se realizeaza prin elaborarea arborilor genealogici in care se marcheaza prezenta caracterului sau a maladiei, frecventa, gradul de expresivitate (penetranta), sexul mai afectat, etc. Aceasta permite descoperirea modului de transmitere a caracterului sau a maladiei respective de=a lungul generatiilor.
    In Canada, G. Lanberge a demonstrat ca toti bolnavii de tirosinemie (exces de tirosina in sange), maladie care determina tulburari hepatice grave, au ca stramosi un cuplu de normanzi care au emigrat in Canada in secolul al XVII-lea.

    Pe de alta parte, studiul casatorilor consangvine are importanta pentru stabilirea frecventei maladiei genetice, comparativ cu populatia neconsangvina. In anumite tari, frecventa acestui tip de casatorii este mare. De asemenea, prezinta importanta frecventa maladiilor genetice la cele 2 sexe, ceea ce permite localizarea genelor mutante pe autozomi sau heterozomi (cromozomii sexului). Asa s-a demonstrat ca hemofilia A si B, miopatia Duchenne, daltonismul, etc. sunt maladii genetice ce prezinta sex-linkage, manifestandu-se cu frecventa mare al baieti si foarte mica la fete.
    O exceptie de la transmisia mendeliana a unei maladii genetice este acondroplastia, maladie responsabila pentru unele tipuri de nanism. O alta caracteristica a unor maladii genetice este penetranta incompleta sau expresivitatea variabila, fenomene care modifica raportul de segregare si manifestarea fenotipica diferita de la un individ la altul. Un exemplu este neurofibromatoza care in unele cazuri se manifesta prin pete 'cafea cu lapte' pe piele si tumori ale pielii, iar in alte cazuri numai prin pete ale pielii. De aceea fenomenul este cunoscut si sub denumirea de 'expresivitate variabila'.

    Un fapt important pentru genetica umana este studiul maladiilor genetice la nivel statistic, tinand seama ca familiile umane sunt relativ mici si putin numeroase. Aceasta permite stabilirea probabilistica a aparitiei unei maladii in descendenta. Incepand din a doua jumatate a secolului al XIX-lea, a inceput utilizarea metodei gemenilor mono si dizigoti pentru a stabili in ce masura o maladie este determinata genetic si in ce masura este determinata de mediu. S-a demonstrat pe aceasta cale ca, de pilda, hipertensiunea arteriala este partial determinata genetic.
    De asemenea, unele tipuri de cancere apar cu frecventa mai mare la gemenii monozigoti. Se utilizeaza in acest sens si cunostintele de genetica cantitativa prin care se urmareste sa se descopere cum sunt determinate genetic caracterele cantitative (talia, greutatea, pigmentatia, etc). Studiul corelatiilor intre diversi factori biologici si aparitia unei maladii prezinta de asemenea un interes major. De exemplu se studiaza corelatia intre un anume grup sangvin si aparitia unei maladii. Astfel, s-a demonstrat ca in Anglia, la persoanele care prezinta cancer al stomacului, grupul sangvin A este mai frecvent.
    Prin utilizarea studiului pedigriului, s-a putut determina modul de mostenire a numeroase caractere normale sau patologice. Un exemplu de caracter autosomal recesiv este modul de atasare a lobului urechii. Astfel, un lob direct atatsat de cap este un caracter recesiv, in timp ce persoanele homozigote pentru gena dominanta sau heterozigote au lobul urechii liber.
    Iata cateva exemple de caractere autosomal - recesive umane:
albinismul: absenta pigmentatiilor in piele, ochi si par,
fibroza chistica: exesul de mucus ce blocheaza produsul glandelor exocrine, ca urmare pancreasul formeaza chisturi, iar glanda devine fibroasa. maladia determina decesul inainte de varsta adulta,
galactozemia: acumularea galactozei in ficat, fenomen ce determina intarziere mintala,
fenilcetonuria: acumulare de fenilalaninei in sange, avand ca rezultat intarzierea mintala,
xeroderma pigmentosum: afectarea procesului reparator al ADN, sensibilitate marita la radiatia solara si UV, cancer al pielii si moarte precoce,
ataxia telangiectasia: degenerarea progresiva a sistemului nervos,
anemia Fanconi: crestere inceata, defecte cardiace si frecventa mare a leucemiei,
sindromul Bloom: provoaca nanism si o frecventa crescuta a cancerului,
anemia cu globule rosii in forma de secera: prezenta unei hemoglobini anormale si deces timpuriu.
    Caractere autosomal- recesive se manifesta de obicei la descendentii unor genitori neafectati, ambele sexe fiind afectate in mod egal. Consangvinizarea favorizeaza manifestarea caracterelor recesive, iar in descendenta unor genitori heterozigoti caracterele afectate se manifesta la circa 1/4 din descendenti.

    Caracterele autosomale dominante sunt determinate de gene dominante ce se manifesta atat la homozigoti cat si la heterozigotii care au aceasta gena. Ca urmare, caracterele se manifesta in mod egal la ambele sexe si in fiecare generatie, doua persoane afectate heterozigote putand avea o parte dintre descendenti normali.
    Iata cateva exemple de caractere autosomale dominante:
acondroplastia: nanism si defecte de crestere a oaselor;
brahidactilia: miini deformale cu degete scurte,
maladia Huntington: degenerare progresiva a sistemului nervor, dementa si deces timpuriu,
hipercolesterolemia familiala: nivel ridicat al colesterolului si maladii cardiace,
hipercalcemia: nivel ridicat al calciului sangvin,
policistita familiala: formarea de chisturi in rinichi ceea ce determina hipertensiune
sindromul Marfan: defecte ale tesutului conjunctiv si deces prin ruperea aortei, - neurofibromatoza: pete 'cafea cu lapte' pe piele si aparitia de tumori in sistemul nervos, care provoaca orbire si paralizie. Gena respectiva prezinta mutatii cu mare frecventa, astfel ca maladia apare si la copii provenind din parinti sanatosi. Gena respectiva este plasata pe cromozomul uman 22.
    Unele caractere dominante sunt determinate de gene ce prezinta o rata mare de mutatii, astfel incat ele se pot manifesta si la unii descendenti proveniti din genitori normali.
    Bazele citologiei umane au fost puse in 1956 prin lucrarea lui H.J. Tjio si A. Levan - The cromosome number of man - care, folosind socul hipotonic si colchicina ce blocheaza diviziunea celulara in metafaze, au reusit sa descopere ca numarul exact de cromozomi uman este de 2n=46. Imediat cercetarile lor au fost confirmate de C. E. Ford si J. L. Hamerton (1956), care examinand metafaza I din tesutul testicular au identificat 23 de cromozomi bivalenti.
     In 1959, J. Lejeune si colaboratorii au studiat citogenetic sindromul Down in cultura de fibroblaste si au reusit sa descopere fenomenul de trisomie (2n=47), cromosomul supranumerar fiind mic si telocentric. Pentru a explica fenomenul, ei au elaborat ipoteza nondisjunctiei meiotice a unei perechi de cromosomi.
    Tot in 1959, C. E. Ford si colaboratorii, precum si P. A. Jacobs si J. A. Strong au descoperit pentru sindromul Klinefelter cariotipul XXY, iar pentru sindromul Turner cariotipul XO, ambele sindroame fiind provocate de nondisjunctia cromosomilor sexuali.
    In 1960, P. S. Moorhead si colaboratorii au eleborat metoda rapida a culturilor de limfocite, care a facilitat descoperirea altor trisomii de tip autosomal. Pe baza acestei metode, P. C. Nowell si D. A. Hungerford au descoperit cromosomul Philadelphia in leucemia cronica mieloida.
    Primul sindrom provocat de o deletie cromozomiala a fost descoperit in 1963 de J. Lejeune si colaboratorii. Este vorba de sindromul 'cri du chat'.
    In perioada 1968 - 1970 se pun bazele tehnicilor de bandare cromozomiale prin care devine posibila identificarea precisa a fiecarei perechi de cromozomi umani, precum si eventualele restructurari cromozomiale. Primele experimente de acest fel au fost facute de T. Casperson si colaboratorii, care au elaborat tehnica benzilor Q, benzi fluorescente vizibile dupa colorarea cu quinacrina sau unii compusi ai acesteia. Ulterior au fost elaborate si alte tipuri de benzi cromozomiale, cum sunt benzile G (giemsa), benzile R (reversie), benzile C (heterocromatina constitutiva), benzile T (Telometrice), etc. De asemenea, au fost elaborate si alte metode eficiente pentru studiul complementului cromozomial uman: tehnica SCE (sister chromatid exchange), testul cromatinei sexuale, tehnica amniocentezei pentru realizarea diagnosticului prenatal, etc. In acest sens mentionam faptul ca la Conferinta de la Denver (1963) s-au pus bazele standardizarii complementului cromosomial uman si la urmatoarele conferinte internationale s-a continuat aceasta actiune pe baza tehnicilor moderne de bandare cromosomiala.
    In ultima vreme s-au dezvotat rapid cercetarile de genetica moleculara privind genomul uman si cele peste 4500 de maladii genetice umane. Recent a fost elaborat un proiect pentru studierea completa a genomului uman, adica determinarea secventei a cca 3 miliarde de nucleotide ADN precum si a celor cca 50 000 de gene plasate pe cei 23 de cromosomi umani. Studiul secventei nucleotidelor se realizeaza cu ajutorul unei tehnici elaborate de biochimistul englez F. Sanger care, pentru aceasta realizare a fost distins pentru a doua oara cu Premiul Nobel. La realizarea acestui proiect american care va dura cca 10 ani participa specialisti din mai multe tari, iar costul sau se cifreaza la cateva miliarde de dolari.
    Determinarea exacta a secventei celor 3 miliarde de baze cate prezinta genomul uman este o problema destul de dificila, dar de mare importanta teoretica si aplicativa. In SUA a fost elaborata inca din 1986 un astfel de proiect, costul lui total fiind de cca 3 miliarde de dolari, deci aproximativ un dolar per baza.
    Cu ajutorul enzimelor de restrictie, se poate segmenta ADN si se poate determina polimorfismul diferitelor segmente in populatia umana prin metoda RFLP (Restriction Fragment Lenght Polimorphysm).
    Iata pe scurt cum pot fi izolate in prezent genele umane: se face o cultura de celule umane din care se extrage ADN, aceasta este fragmentat cu ajutorul enzimelor de restrictie, fiecare fragment fiind legat de un vector cu ajutorul enzimei ligaza. Aceste stucturi genetice pot fi introduse in bacterii, unde sunt capabile de replicare. Asocierea unor segmente de ADN de origni diferite insemana o recombinare genetica in vitro. In acest fel, fiecare bacterie primeste un alt fragment de ADN uman diferit. Dupa aceea, bacteriile sunt etalate pe un mediu cu geloza nutritiva, unde fiecare celula da nastere unei clone celulare formata din celule identice. Ansamblul acestor clone constituie o banca genomica a ADN uman. Inmultirea fiecarei clone face posibila extractia ADN care contine gena respectiva, ce trebuie studiata.
    Pentru studiul fragmentelor de ADN, a caror marime este de ordinul sutelor sau miilor de kb, s-a folosit metoda electroforezei in camp electric pulsat (1984). Moleculele de ADN taiate in segmente foarte mari sunt dispuse pe marginea unei placi de gel de agaroza, dupa care sunt supuse alternativ la 2 campuri electrice. Tehnica PFG (Pulsed Field Gel) a fost elaborata de D. C. Schwartz si de C. R. Cantor (1984) la Universitatea Columbia din New York si consta in schimbarea periodica, la cateva minute, a orientarii campului electric. Moleculele de ADN de dimensiuni diferite sunt obligate sa se reorienteze, de fiecare data timpul de orientare fiind cu atat mai mare cu cat acestea au dimensiuni mai mari. Ele au deci o traiectorie in zig-zag. In campul electric pulsat, moleculele mai mari sunt mai franate in migrarea lor decat cele mici.
    In sfarsit, metoda amplificarii enzimatice a ADN cu ajutorul polimerazei prin tehnica PCR (Polymerase Chain Reaction ) a facut posibila multiplicarea rapida a unui segment de ADN in milioane de exemplare pornind de la cateva picaturi de sange.
    Cu ajutorul acestor metode se spera secventierea intregului genom uman, fenomen cu mari implicatii fundamentale si aplicative in special in terapia genica.