Legile Mendeliene ale ereditatii

Legile Mendeliene ale ereditatii

La mijlocul secolului XIX Gregor Johann Mendel a efectuat o serie de experimente pe plante de mazare, in gradina manastirii din Brno. El a ales mazarea de gradina (Pisum sativum), in primul rand pentru ca aceasta planta se poate si autofertiliza datorita faptului ca pe o aceeasi tulpina exista si flori femele si flori mascule.

Figura 1.1   Cele sapte caractere fenotipice analizate de Gregor Mendel la Pisum sativum (dupa Singer,   1978 )

Mendel a incrucisat diverse soiuri de mazare, urmarind in descendenta sapte caractere (Figura 1), dintre care cele mai cunoscute sunt forma si, respectiv, culoarea bobului. Pentru fiecare din cele doua caractere, Mendel a constatat ca pot exista doua variante:

In cursul incrucisarilor pe care le-a realizat, Mendel a notat:

P sau F0 - generatia parentala, pura din punct de vedere genetic

F1 - prima generatie, obtinuta din incrucisarea dintre 2 linii parentale pure

F2 - a doua generatie, obtinuta prin autofecundarea indivizilor din prima generatie

1 Notiuni de baza in genetica clasica

Din experimentele efectuate de Gregor Mendel, au reiesit urmatoarele notiuni ce sunt in buna parte valabile si astazi :

gene alele (denumite de Mendel "factori ereditari") sunt variante ale unei gene, variante ce codifica pentru un acelasi caracter si care sunt localizate in loci omologi

intr-un organism diploid, un caracter este determinat de o pereche de gene alele;  acestea pot sa fie identice una cu cealalta, caz in care organismul poarta denumirea de homozigot pentru acea gena, sau pot sa fie diferite una de cealalta, caz in care organismul se numeste heterozigot

intr-o pereche de gene alele prezente intr-un organism, de cele mai multe ori, nu se exprima ambele gene, ci doar una dintre ele; gena care se exprima este denumita ca fiind dominanta fata de cealalta, care este denumita recesiva

ca urmare, organismele heterozigote prezinta acelasi fenotip cu organismele homozigote dominante

perechile de gene alele prezente intr-un organism se despart in interiorul gametilor, acestia avand doar cate una din gene din fiecare pereche

loci omologi reprezinta locatii situate la acelasi nivel pe cromozomi omologi, locatii in care se gasesc gene alele

linie pura din punct de vedere genetic care este homozigot pentru o serie de caractere

genotipul reprezinta totalitatea genelor detinute de un organism

fenotipul reprezinta totalitatea caracterelor "aratate" (prezentate) de un organism

Prima lege a ereditatii

Legile mendeliene descriu transmiterea caracterelor prin intermediul "factorilor ereditari".

Prima lege a lui Mendel este intitulata Legea puritatii gametilor si statueaza faptul ca gametii sunt puri din punct de vedere genetic, adica nu contin decit unul din cei 2 factori ereditari pereche. Aceasta lege mai este denumita si monohibridism, intru-cat descrie incrucisarea intre organisme ce difera intre ele doar printr-un singur caracter, situatie in care descendenta este uniforma fenotipic si se aseamana cu unul din parentali.

Pentru evidentierea acestei legi, Mendel a incrucisat 2 linii pure de mazare: una cu bob neted (pe care a notat-o AA) si una cu bob zbarcit (aa).

Daca se incruciseaza 2 organisme homozigote pentru un caracter (AA x aa), organisme ce difera intre ele printr-un singur caracter, in prima generatie (F1) rezulta numai organisme care din punct de vedere gentipic sunt heterozigote, iar din punct de vedere fenotipic prezinta fenotipul genei dominante (in cazul de fata A adica bob neted. Prin autofertilizarea organismelor obtinute in aceasta prima generatie, se obtin in generatia a doua (F2) organisme ce difera intre ele atat genotipic cat si fenotipic:

homozigote dominante (AA)

homozigote recesive (aa)

heterozigote (Aa)

In urma interpretatilor statistice, s-a constatat ca genotipurile si fenotipurile segrega dupa anumite reguli statistice:

cele 3 genotipuri posibile respeca anumite proportii: 1AA : 2Aa : 1aa;

cele 2 fenotipuri posibile respecta anumite proportii: 3 fenotipul genei dominante : 1 fenotipul genei recesive (Figurile 1.2 si 1.3).

Figura 1.2   Prezentarea schematizata a monohibridarii prin incrucisarea la Pisum sativum intre plante cu bob galben (caracter dominant codificat de gena A) si plante cu bob verde (caracter recesiv codificat de gena a).

Figura 1.3   Schema segregarii genotipice si fenotipice, de la generatia parentala pana la generatia a treia, in cazul unei singure perechi de caractere.

3 A doua lege a lui Mendel

A doua lege a lui Mendel se mai numeste si dihibridism si presupune incrucisarea a 2 organisme ce difera intre ele doar prin 2 caractere. Aceasta lege mai poarta numele si de Legea segregarii independente a caracterelor si statueaza faptul ca fiecare pereche de caractere se transmite la descendenti in mod independent de alte perechi de caractere. In experimentele sale Mendel a luat in studiu plante de mazare cu bob neted si galben (caractere dominante) si plante cu bob zbarcit si verde (caractere recesive). In prima generatie (F1) s-au obtinut plante hibride care fenotipic exprimau caracterele dominante (bob neted si galben). In urma autofertilizarii plantelor din prima generatie, in a doua generatie s-a obtinut o segregare fenotipica de 9:3:3:1 (tabelul din figura 1.4).

Figura 1.4   Reprezentarea schematizata a segregarii caracterelor in a doua generatie (F2) prin dihibridism.

4 A treia lege a lui Mendel

Cea de a treia lege a lui Mendel este cunoscuta si sub denumirea de Legea reasocierii independente. Aceasta lege are, de fapt, ca suport citologic, procesul de recombinare independenta a perechilor de cromozomi omologi in timpul meiozei - proces cunoscut si sub denumirea de recombinare genetica inter-cromozomiala.

Variatii de la modelul de dominanta - recesivitate

Au fost identificate o serie de abateri de la legile mendeliene, ce prezinta un pattern de segregare difeirt de cele amintite mai sus.

a) Un exemplu este dominanta incompleta, caz in care hibrizii nu prezinta fenotipul dominant, ci un fenotip intermediar. Astfel, la planta barba-imparatului (Mirabilis jalapa), hibrizii nu prezinta culoarea rosie caracaterstica caracterului dominant, ci culoarea roz intermediar. In acest caz, raportul de segregare fenotipica nu este 3:1 ci 1:2:1 (Figura 1.5).

Figura 1.5   Prezentarea schematizata a monohibridarii prin incrucisarea la Mirabilis jalapa intre plante cu flori rosii (caracter dominant codificat de gena A) si plante cu flori albe (caracter recesiv codificat de gena a).

b) O alta abatere este codominanta, care este cel mai evident in cazul grupelor de sange de la om din sistemul ABO.

Sistemul ABO presupune existenta unor anticorpi fata de polizaharidele celulare A sau B. Un anticorp este o proteina ce are capacitatea de a lega un antigen (molecula straina de corp) si a o inactiva. Inactivarea este insotita de formarea unui precipitat. Singele de tip A contine hematii pe a caror suprafata se gasesc antigene de tip A, iar in plasma contine anticorpi anti-B. Sangele de tip B contine hematii pe a caror suprafata se gasesc antigene B, iar in plasma contine anticorpi anti-A.

In cazul grupei sanguine AB, hematiile contin pe suprafata lor ambele antigene, manifestandu-se astfel fenomenul de codominanta. Totodata, in plasma nu exista nici un fel de anticorpi. In cazul grupei 0, nu exista antigene pe suprafata hematiilor, dar in plasma exista ambii anticorpi.

In final, s-a stabilit ca sistemul cuprinde 3 gene, L_A, L_B si l. Genele L_A si L_B sunt codominante una fata de cealalta si fiecare dintre ele este dominanta fata de gena l (tabelul din figura 1.6).

Figura 1.6   Genotipurile posibile la grupele de sange in sistemul AB0.

Antigenele AB0 de pe suprafata hematiilor sunt glicoproteine ce se formeaza de la un precursor poplipeptidic la care se adauga, in functie de grupa sanguina, diverse lanturi polizaharidice. Glicozilarea este realizata de o enzima diferita la grupele La si Lb. In cazul grupei 0, alela recesiva l codifica pentru o enzima inactiva care determina ca antigenul sa fie format din miezul polpipeptidic si fucoza. Pentru grupa A transferaza A catalizeaza legarea la fucoza a N-acetil-glucozaminei, iar pentru grupa - galactoza.

Serii polialelice

Cercetari ulterioare experimentelor lui Mendel au aratat ca desi la nivelul unui singur individ exista o singura pereche de loci omologi si, ca atare, o singura pereche de gene alele, la nivelul unei populatii de indivizi pot exista mai multe gene alele, ce constituie o serie polialelica. Simplificat, genele dintr-o serie polialelica pot fi notate astfel: a₁, a₂, a₃, a₄, a₅ a_n. Un individ contine doar 2 gene din seria polialelica, de exemplu: a1/a3 sau a1/a5 sau a2/a2 sau a4/a4 etc. Astfel, unii indivizi sunt homozigoti pentru o anumita gena (a1/a1; a2/a2 etc), iar altii sunt heterozigoti (a1/a2 sau a2/a3 etc).

Notiunea de dominanta/recesivitate a fost redefinita ca relatia dintre 2 gene alele prezente in acelasi individ. Astfel, este posibil ca gena a1 sa fie dominanta fata de gena a2 si, ca urmare, heterozigotul a1/a2 sa prezinte fenotip a1. Pe de alta parte insa, este posibil ca aceeasi gena a1 sa fie recesiva fata de a3 si, deci, heterozigotul a1/a3 sa aiba fenotip a3.

Cu alte cuvinte, in multe serii polialelice nici una dintre gene nu este dominanta fata de toate celelalte.

Caractere poligenice

Cercetarile au continuat si au evidentiat faptul ca unele caractere sunt influentate de mai multe gene ne-alele. Cu alte cuvinte, exista caractere ce sunt determinate de combinatii de gene de tipul [a2/a5; b3/b4], fiecare din cele doua perechi de gene alele apartinand la serii polialelice diferite: a1, ., an si b1, ., bn. Fenomenul poarta numele de poligenie, iar caracterul respectiv este determinat poligenic.