NOTIUNI DE GENETICA UMANA

Scurt istoric

Primele observatii asupra unor maladii si malformatii ereditare la om au fost facute inca in antichitate de catre Hippocrates (460-370 i.e.n.), intemeietorul medicinei, care a remarcat ca unele marformatii au o frecventa mult mai mare in unele familii.

In secolul XVIII-lea medicul P. Maupertius a inceput unele cercetari privind incidenta familiala pe baze statistice a unor malformatii cum este polidactilia, sau a unor maladii ereditare cum este albinismul.

In secolul al XIX-lea F. Galton a elaborat metoda studiului gemenilor monozigoti.

Redescoperirea legilor lui Mendel la inceputul secolului XX a determinat avantul cercetarilor de genetica umana si au dus la descoperirea faptului ca unele caractere ereditare se transmit dupa tipul mendelian. O contributie remarcabila la dezvoltarea cercetarilor de genetica umana a avut medicul englez A.E. Garrod, care a descoperit existenta unor maladii metabolice ereditare.

Dezvoltarea citogeneticii a dus, printre altele, si la studiul amanuntit al cromozomilor umani. Astfel, in anul 1956 doi cercetatori suedezi au publicat un articol in care aratau ca numarul cromozomilor in celulele umane este de 46, ca urmare a studiilor intreprinse asupra a peste 265 de celule embrionare cultivate artificial.

In anul 1958, odata cu descoperirea ca fitohemaglutinina, o substanta extrasa din fasole, este capabila sa induca diviziunea leucocitelor, a devenit posibila cultura de sange periferic, metoda rapida si foarte eficienta de studiu a cromozomilor umani.

In anul 1959, J.Lejeune, M.Gautier si R.Turpin au descoperit ca sindromul Down, cunoscut inca din secolul XIX, este cauzat de trisomia 21. Din acest moment se poate spune ca citogenetica umana a devenit o disciplina medicala. Ulterior, o data cu elaborarea metodelor de bandare cromozomiala s-au facut progrese importante in studiul cariotipului uman, in identitatea restructurarilor numerice si structurale ale cromozomilor, corelat cu diverse maladii ereditare si malformatii congenitale.

Cercetarile de genetica umana au luat in ultima vreme amploare, astfel ca s-a reusit identificarea a cca 2500 de maladii ereditare, numar in continua crestere. S-au facut progrese in elaborarea hartii genetice a omului, pana in prezent reusindu-se plasarea exacta a catorva sute de gene pe diferiti cromozomi, precum si in studiul comparativ al cariotipului uman si a diferitelor specii de primate.

Pentru elaborarea hartilor cromozomiale se folosesc urmatoarele metode:

Metode citogenetice, prin care se coreleaza prezenta diverselor gene cu diferite restructurari cromozomiale (deletii, duplicatii, inversii, translocatii) sau cu aneuploidii;

Hibridarea celulara care se bazeaza pe eliminarea diferentiata a cromozomilor umani din celulele hibride si corelarea prezentei genelor cu anumiti cromozomi neeliminati. Prin iradiere se pot produce rupturi ale cromozomi umani neeliminati astfel ca genele se pot plasa chiar pe anumite segmente ale unui cromozom;

Hibridarea moleculara a unui anumit tip de ARN marcat cu izotopi, cu o anumita regiune cromozomiala. Prin microautoradiografie este apoi posibila identificarea pozitiei genei care determina sinteza ARN-m, pe baza de complementaritate.

De asemenea, s-a elaborat o metoda rapida si foarte eficienta de determinare a sexului genetic, prin testul cromatinei sexuale, iar dezvoltarea geneticii medicale a permis punerea pe baze stiintifice a consultatiilor genetice. Deoarece in prezent se admite ca circa 12% din populatie este constituita din indivizi cu maladii genetice sau partial genetice, problema profilaxiei maladiilor ereditare, precum si a prognozei aparitiei lor are o importanta deosebita. Ca urmare au aparut si s-au extins clinicile de boli ereditare, precum si centrele de sfaturi genetice, care permit stabilirea unui diagnostic corect al maladiilor ereditare, detectarea purtatorilor etc.

Determinismul genetic al unor caractere ereditare normale

Studiile de genetica umana au aratat modul cum se transmit la descendenti o seama de caractere normale si patologice. Astfel s-a dovedit ca mutatiile genelor nu determina intotdeauna maladii ereditare. In multe cazuri ele determina aparitia unor genotipuri si respectiv fenotipuri variate, fapt care mareste variabilitatea in interiorul speciei umane. Existenta unei mari variabilitati intraspecifice contribuie la realizarea unei adaptari mai bune la conditiile schimbatoare ale mediului. De exemplu, existenta unor gene pentru pigmentatie cu caracter aditiv, mareste posibilitatiile de adaptare umana la conditii variate de insolatie existente pe glob.

Un capitol bine studiat il constituie determinismul genetic al grupelor sanguine si frecventa lor in cadrul speciei umane. Inca din anul 1900, K.Landsteiner a remarcat ca prin amestecarea globulelor rosii ale sangelui de la o persoana, cu serul sanguin de la alta persoana, in unele cazuri se observa fenomenul de aglutinare, iar in altele nu. Pe baza a numeroase cercetari s-a ajuns la concluzia ca oamenii apartin la 4 grupe de sange: A, B, AB, si 0. S-a descoperit ca la oameni exista doua tipuri de anticorpi A si B in serul sangelui si doua tipuri de antigene A si B in globule rosii. Indivizii din grupa de sange A poseda antigene A si anticorpi B, cei din grupa B poseda anticorpi A, cei din grupa AB poseda antigene A si B dar nu poseda anticorpi, iar indivizii din grupa 0 nu poseda antigene, dar poseda ambele tipuri de anticorpi A si B.

Maladii metabolice ereditare

In anul 1909 Garrod emite ipoteza ca patru maladii (albinismul, alcaptonuria, cistinuria si pentosuria) se datoresc unor deficiente enzimatice ereditare. Aceasta ipoteza s-a dovedit corecta, maladiile respective fiind datorate unor mutatii genice ce determina sinteza unor enzime inactive sau cu activitate redusa. Acest tip de maladii au primit numele de enzimopatii.

Mutatiile genelor la om pot provoca tulburari grave ale metabolismului celular. Pana in prezent au fost identificate peste 2500 de maladii ereditare. Cele mai cunoscute sunt tulburarile innascute in metabolismul enzimelor si proteinelor, desi au fost identificate tulburari si in metabolismul glucidelor, lipidelor si mineral. Exemple: oligofrenia fenil piruvica (fenilcetonuria), albinismul, cretinismul sporadic cu guse, hemoglobinopatiile, intoleranta la fructoza cu hipoglicemie, diabetul zaharat, hiperlipemia idiopatica, hemocromatoza, etc.

Ingineria genetica

Este una din cele mai moderne ramuri ale biologiei, a carei aparitie a fost determinata de aprofundarea cunostiintelor de genetica la nivel molecular, de dezvoltarea cercetarilor privind genele, cromozomii si in general materialul genetic al vietuitoarelor, fapt care a permis elaborarea unor metode complet noi de izolare si de sinteza a genelor, de transfer de la o specie la alta, de cultura "in vitro" a celulelor si de hibridare celulara.

Ingineria genetica poate fi definita ca un ansamblu de metode si tehnici prin care este posibila manipularea materialului genetic la nivel celular si molecular.

Astfel, prin cultura "in vitro" de celule vegetale este posibila obtinerea de organisme haploide si diploide pornind de la o singura celula, transferul de gene in celulele lipsite de peretele celuler (protoplasti) sau chiar hibridarea intre celule vegetale, intre celule animale sau celule vegetale sau animale.

Ingineria genetica la nivel molecular se realizeaza prin izolarea si sinteza artificiala de gene, realizarea de ADN recombinat si transferul de gene de la un organism la altul (de la procariote la eurocariote si invers). Astfel, prin actionarea la nivel celular si molecular se pot produce artificial genotipuri noi cu caracteristici determinate anticipat.

Primele cercetari de inginerie genetica s-au realizat inca din anul 1944 cand O.T.Avery, C.M.Mac Leod si M.Mac Carty au reusit transferarea genetica la bacterii, adica transferul artificial al unor gene de la un tip de pneumococi la altul,prin intermediul ADN.

Aceste cercetari au constituit prima experienta de genetica si biologie moleculara, stiinta care studiaza ereditatea la nivel molecular. Ulterior, experiente de transformare genetica s-au realizat la alte bacterii, precum si la organismele mai evoluate de tip eucariot.

Un alt domeniu al ingineriei genetice in care s-a realizat unele cercetari valoroase il constituie asa-numita chirurgie cromozomiala, prin care s-a reusit transferarea de cromozomi sau segmente cromozomiale de la o specie la alta. Primele cercetari in aceasta directie au fost efectuate de geneticianul J.G.O'Mara (1940), care a elaborat o metoda de combinare a caracterelor a doua specii prin transferul unuia sau mai multor cromozomi de la o specie la alta.

Izolarea si sinteza artificiala a genelor

Progresele mari realizate in studiul structurii moleculare si functiei genelor au fost posibile izolarea si sinteza lor artificiala. Sa vedem mai intai cum s-a efectuat izolarea artificiala a genelor.

Operatia izolarii genei a fost realizata in anul 1969 la Universitatea Havard din Statele Unite de catre J.Beckwith si colaboratorii sai. Cercetarile, publicate in revista engleza "Nature", din noiembrie 1969, s-a efectuat pe bacteria Escherichia coli, care are un singur cromozom de forma circulara pe care se gasesc circa 3000 de gene. Printre acestea se afla trei gene notate cu literele x,y,si a ce determina sinteza a trei enzime: β-galactozidaza, galactozid-permeaza si transacetilaza, care intervin in procesul de metabolizare a lactozei, zahar ce se gaseste in lapte. Aceste gene fac parte dintr-o unitate genetica mai mare denumita operonul lactozei (prescurtat lac), din care mai fac parte si alte trei gene care intervin in reglajul genetic al operonului respectiv.

Transferul interspecific al genelor

Pana recent, transferul de informatie genetica, de gene si cromozomi, s-a realizat pe cale sexuata. Ca urmare, geneticienii si amelioratorii de plante si animale aveau posibilitatea sa realizeze organisme hibride care contineau informatie genetica provenita de la doi sau mai multi genitori. Prin recombinare genetica s-au creat numeroase forme noi de plante si animale utile pentru practica, organisme care prezentau noi combinatii de gene.

In ultimii ani, mai ales dupa descoperirea faptului ca genele sunt constituite din ADN, s-a dezvoltat noi tehnici prin care este posibil "in vitro" ruperea si realipirea moleculelor de ADN, crearea de molecule hibride. Aceasta inseamna ca recombinarea genetica se poate realiza la nivelul ADN, fara a mai fi necesar procesul sexual. De asemenea s-a reusit transferarea genelor de la o specie la alta, prin actionare la nivel molecular