Современная генетика

clasificarea lor pe baza originii evolutive sau a rela?iilor de rudenie

dintre ele. Mult timp principalul criteriu de clasificare a organismelor

era cel morfologic. Savan?ii studiau asem?n?rile ?i deosebirile dintre

organisme conform caracterelor exterioare vizibile ?i determinau pe baza

acestora apartenen?a lor la o anumit? specie.

Aceast? orientare оn sistematic? a fost numit? pe vremuri fenosistematic?

(fen – caracter, adic? clasificare conform caracterelor externe).

La оnceputul secolului nostru existau deja informa?ii care indicau c?

organismele ce fac parte din diferite specii nu se deosebesc totdeauna clar

dup? fenotip (morfologic).

Datorit? acestui fapt savan?ii au оnceput s? caute un nou criteriu de

determinare a apartenen?ei organismelor la diferite specii ?i au procedat

la studierea cariotipului lor (num?rul ?i particularit??ile morfologice ale

structurii cromozomilor lor). S-a constatat c? la organismele din aceea?i

specie cariotipul este identic, pe cвnd la speciile diferite el este

divers. Cariotipul a оnceput s? fie considerat drept unul din principalele

criterii ale speciei. Оn sistematic? a ap?rut o nou? orientare –

cariosistematica.

Cu ajutorul metodelor cariosistematicii s-au ob?inut date de valoare,

care permit оn?elegerea multor mecanisme evolutive ?i solu?ionarea multor

probleme ce apar оn procesul de clasificare a plantelor ?i animalelor

superioare.

Metodele cariosistematicii ?i fenosistematicii s-au dovedit, оns?,

nepotrivite pentru determinarea organismelor din regnul al treilea – regnul

microorganismelor. Microorganismele n-au оn celule un nucleu bine reliefat,

cu atвt mai mult, ele n-au cromozomi. Multe caractere fenotipice (forma,

tipul de cili, structura peretelui celular ?. a.) pentru diversele lor

grupuri au ap?rut pe parcursul evolu?iei оn mod independent, dвnd na?tere

unor forme morfologice asem?n?toare, dar ne оnrudite din punct de vedere

genetic. De aceea clasificarea conform fenotipului a constituit doar primul

pas. Al doilea a fost clasificarea dup? genotip, care are valoare cognitiv?

?i de pronosticare mult mai mare decвt fenotipul.

La formele prenucleare ale organismelor (la procario?i) aparatul genetic

este reprezentat prin molecule aparte de ADN. Studierea lor a ajutat mult

la оn?elegerea particularit??ilor structurii genotipilor tuturor grupelor

de organisme. Aceste cercet?ri au avansat rapid din momentul descoperirii

unei clase noi de fermen?i – a restrictazelor – instrumente principale оn

ingineria genic?. Studierea structurii moleculare a genotipului

organismelor a devenit mai pu?in dificil? datorit? folosirii acestor

fermen?i capabili s? provoace rupturi оn succesivit??ile specifice ale ADN-

ului. Astfel a ap?rut оnc? o orientare оn ?tiin?? – genosistematica. Anul

ei de na?tere se consider? 1960, atunci cвnd a fost publicat? lucrarea lui

A. N. Belozerschii ?i a discipolului s?u A. S. Spirin cu titlul:

«Componen?a acizilor nucleici ?i sistematica». Оn aceast? lucrare s-a f?cut

prima оncercare de a examina оn plan comparativ toate cuno?tin?ele

fragmentare ?i dispersate acumulate pвn? atunci cu privire la structura de

ADN al celor mai diverse grupuri de organisme.

Astfel, оncepвnd cu observ?ri aparte, s-a f?cut primul ?i cel mai

important pas spre formarea principiilor de baz? ale genosistematicii.

Principalul obiect pe care оl analizeaz? genosistematica este structura

molecular? a genotipului. Cu cвt organismul este mai complex, cu atвt

aparatul s?u genetic con?ine mai mult ADN.

Faptul c? structura ADN-ului este diferit? la specii diferite genereaz?

anumite dificult??i. Am mai men?ionat ce cantitate uria?? de informa?ie

con?ine o singur? molecul? de ADN. ?i dac? ne punem drept scop s? compar?m

materialul genetic al sec?rii cu cel al maz?rii, ne vom pomeni оn situa?ia

savantului, care ar оncerca s? compare sensul informa?iei ce o con?in dou?

biblioteci tematice, compuse din cвteva zeci de mii de volume fiecare ?i

scrise оntr-o limb? pe care el n-o cunoa?te.

Odat? cu evolu?ia cercet?rilor оn domeniul ingineriei genice au ap?rut,

оns?, posibilit??i noi pentru u?urarea muncii savan?ilor genosistematici.

Fragmentarea moleculelor mari de ADN ?i determinarea structurii primare a

fiec?rui fragment a accelerat оn mare m?sur? nu numai procedura secven?rii

(descifrarea succesiunii nucleotidelor) acestor molecule, ci chiar analiza

structurii fine a fiec?rei gene aparte ?i succesiunii disloc?rii lor de-a

lungul moleculelor de ADN.

15.2 Gradul de оnrudire genetic?

Care sunt metodele prin intermediul c?rora se studiaz? structura

molecular? a genotipului?

La оnceput compararea programelor genetice ale organismelor se f?cea pe

baza unei singure presupuneri, absolut logice: cu cвt genotipurile sunt mai

diverse, cu atвt frecven?a unor nucleotide aparte din ADN se deosebe?te mai

mult. Cu alte cuvinte, savan?ii au оnceput a determina diferitele organisme

conform structurii nucleotidice a ADN-urilor comparate.

Structura nucleotidic? a ADN-ului este determinat? cel mai bine prin

metoda direct?: prin hidroliz? moleculele polimere ale ADN-ului sunt

transformate оntr-o solu?ie de nucleotide ?i se determin? partea lor

molar?. Ca urmare se afl? care este frecven?a adeninei (A), guaninei (G),

citozinei (CE) ?i timinei (T) оn ADN-ul cercetat.

S? ne amintim c? aceste baze se cupleaz? selectiv: G – CE ?i A – T. Prin

urmare, bazele care formeaz? perechi se vor оntвlni cu o frecven??

constant?. Prin ce se pot deosebi atunci unii de al?ii diferi?ii ADN?

R?spunsul este univoc: ei se deosebesc dup? frecven?a acestor perechi

complementare de nucleotide ?i dup? ordinea disloc?rii lor оn molecule.

Este bine venit a exprima partea molar? a perechilor de nucleotide G – CE

?i A – T оn procente. Dac? este scris c? structura nucleotidic? a unui ADN

este 42 mol.% G–CE, оnseamn? c? la fiecare sut? de perechi de nucleotide 42

de perechi dintre acestea vor fi G – CE ?i, respectiv, 58 de perechi A -T.

Genotipurile se pot deosebi ?i dup? num?rul sumar de perechi nucleotide

din molecula ADN-ului. Aceste deosebiri оn con?inutul cantitativ al ADN-

ului sunt foarte importante: ele reflect? direct volumul informa?iei

genetice, p?strat? оn genotipul organismelor.

Metoda direct? de determinare a structurii nucleotidice a ADN-ului este

simpl? ?i comod?, de?i are ?i neajunsuri: pentru a efectua analiza e nevoie

de mult ADN, iar analiza оns??i dureaz? cвteva zile. De aceea оn acest scop

sвnt folosite uneori diferite metode indirecte. Оn laboratorul lui P. Doti

de la Universitatea Harvard (SUA) a fost studiat fenomenul denatur?rii

moleculelor ADN. Dac? vom lua o solu?ie de ADN polimer ?i o vom оnc?lzi, la

atingerea unei anumite temperaturi critice, vor оncepe s? se desfac?

leg?turile оntre cele dou? catene. Dac? temperatura va continua s? creasc?,

partea acestor leg?turi rupte va spori tot mai mult ?i оn cele din urm? se

va produce diviziunea moleculelor оn dou? jum?t??i complementare – ADN-ul

denatureaz?.

La r?cirea solu?iei ambele jum?t??i о?i vor g?si partenerul complementar

?i se va produce restabilirea structurii ini?iale a spiralei duble –

renaturarea ADN-ului.

S-a observat c? ADN-ul cu componen?? diferit? denatureaz? la temperaturi

diferite: cu cвt partea molar? a perechilor G-CE este mai mare, cu atвt

este mai mare ?i temperatura de denaturare a ADN-ului.

Pentru denaturarea structurii prin aceast? metod? se cere foarte pu?in

ADN ?i experien?a dureaz? pu?in timp. Practica sistematicii genice a

demonstrat c? determinarea structurii ADN-ului este o metod? sigur? de

determinare a asem?n?rilor ?i deosebirilor la stabilirea genotipurilor.

Printre numeroasele grupuri de animale ?i plante exist? unele cu o

morfologie foarte s?rac? ?i, prin urmare, cu un num?r mic de caractere

adev?rate pentru comparare. Cu totul alta este situa?ia cвnd orice

tr?s?tur? caracterizeaz? tot ADN-ul genotipului. Оn el se reflect? ca оntr-

o oglind? particularit??ile structurale ale tuturor genelor, care determin?

formarea fenotippului.

La toate formele оnrudite structura ADN-ului este foarte asem?n?toare,

dar asem?narea structurilor nu indic? direct asupra оnrudirii. Totodat?

gradul de deosebire ?ine direct de gradul de divergen??, de deosebire a

formelor de organisme comparate ?i grupurilor lor naturale (gen, familie,

ordin).

Pentru determinarea gradului de deosebire dup? ADN au fost propuse ?i

alte metode, bazate pe determinarea cantitativ? a combina?iilor specifice

de nucleotide, ce se оntвlnesc оn ei. Cea mai simpl? combinare este o

pereche de nucleotide care stau al?turi оn catena ADN-ului. Оn fiecare

serie de experien?e unul din cele patru tipuri de nucleotide era marcat cu

fosfor radioactiv. Compararea rezultatelor acestor experien?e oferea

posibilitatea de a determina frecven?a tuturor celor 16 combina?ii posibile

de perechi de tipul:

A–A, A–G, A–C, A–T;

T–T, T–A, T–G, T–C;

G–G, G–A, G–C, G–T;

C–C, C–A, C–G, C–T.

Cвnd determin?m frecven?a acestor combina?ii de nucleotide оn ADN, noi

proced?m deja la analiza «silabelor» оn textele programelor genetice.

Elaborarea acestei metode оn laboratorul lui A. Cornberg (SUA) a

prezentat un pas оnainte оn practica sistematicii genice. Posibilitatea

coinciden?ei ocazionale a textelor programelor genetice (dup? frecven?a

celor 16 tipuri de «silabe») este mult mai mic? decвt frecven?a unor

nucleotide aparte.

Dar, cu toate acestea, metodele de determinare a structurii ADN-ului ?i a

frecven?ei unor grupuri aparte de nucleotide sunt pu?in eficace la

compararea materialului genetic al speciilor legate strвns prin rudenie

filogenetic?.

Modific?rile оn structura ADN-ului se acumuleaz? pe parcursul evolu?iei

foarte lente, de aceea оn grupele evolutive tinere (animalele vertebrate,

plantele superioare) diferitele specii se deosebesc pu?in prin «sensul»

informa?iei genetice, оnsumate оn genotipii lor. Cunoscutul savant A.

Antonov afirm? оn acest sens c? deosebirile оn structura complexului de

gene, responsabile pentru dezvoltarea aripii liliacului ?i a mвnii omului,

sunt foarte mici ?i, de fapt, nu sunt sesizate de metodele descrise mai

sus.

Оn arsenalul metodelor genosistematicii exist? ?i metode prin intermediul

c?rora se poate cerceta ADN-ul speciilor оnrudite foarte aproape.

Оn laboratorul lui P. Dati au fost elaborate ?i bazele unei anumite

metode de comparare a structurilor diferi?ilor ADN. La elaborarea acestei

metode – «hibridizarea ADN-ului» – premiza logic? a fost foarte simpl?:

dac? la dou? organisme ADN-ul se aseam?n? mult, oare nu putem prin

denaturarea ?i renaturarea lor comun? s? ob?inem formarea de molecule, care

includ catene complementare din aceste molecule atвt de diferite, dar

asem?n?toare.

Оn componen?a unei molecule de ADN catenele opuse se deosebesc оntrucвtva

dup? con?inutul nucleotidelor purine (A, G) ?i pirimidine (C, T) ?i, prin

urmare, dup? masa lor molar?. Una dintre ele este «u?oar?» (U), iar

cealalt? – «grea» (G). Schema experien?ei poate fi prezentat? astfel:

ADN 1 (g, u) + ADN 2 (g, u) ( denaturare ( ADN 1 g + ADN 1 u + ADN 2 g +

ADN 2 u ( renaturare ( ADN 1 (g, u) + ADN 1 G, 2 u + ADN 1 u 2 g + ADN 2

(g, u).

Din aceast? schem? reiese c? la renaturare e posibil? atвt restabilirea

moleculelor ADN de tip primar, cвt ?i la formarea moleculelor hibride de

ADN.

Ca rezultat s-a descoperit c? moleculele hibride se formeaz? u?or atвt оn

timpul experien?elor cu ADN-ul de diferite tulpini ale acelea?i specii de

bacterii (colibacilul), cвt ?i cu ADN-ul speciilor de bacterii оnrudite

foarte apropiat. Cu cвt speciile sunt оnrudite mai apropiat оntre ele, cu

atвt ap?reau mai des moleculele hibride de ADN. Оn prezent aceast? metod? a

devenit foarte popular? ?i se aplic? оn laboratoarele din оntreaga lume.

A?a dar, se poate conchide c? autenticitatea opiniilor despre gradul de

оnrudire filogenetic? a organismelor pe baza analizei complecte a ADN-ului

lor este mult mai mare decвt autenticitatea rezultatelor ob?inute prin

compararea caracterelor lor fenotipice.

Оn urma numeroaselor cercet?ri a devenit limpede c? la animalele ?i

plantele superioare deosebirile оn structura ADN-ului sunt mai pu?in

pronun?ate decвt la procario?i (bacterii, alge albastre), la plantele

inferioare ?i la animalele nevertebrate. Dar nu este destul s? ?tim gradul

de asem?nare ?i de deosebire conform structurii ADN-ului organismelor din

diferite grupuri sistematice. Aceasta se оntвmpl? mai ales la eucario?ii

superiori, care se caracterizeaz? prin structura mozaic? (exo-nintron?) a

genelor. Оn leg?tur? cu aceasta trebuie оn primul rвnd s? se determine

succesivitatea nucleotidelor оn partea func?ional? a genelor, dar nu оn

genere оn ADN.

Metodele de inginerie genic? au oferit poeibilitatea de a se analiza cu

exactitate structura fin? a genelor. Deseori func?ionarea оn organism a

unei gene construite depinde de cвteva nucleotide. Оn prezent, datorit?

analizei restric?ionale, a devenit posibil a se determina succesivitatea

exact? a nucleotidelor оn gene, adic? «a citi» structura lor primar?. Dac?

cunoa?tem succesiunea genei, atunci putem determina cu u?urin?? succesiunea

aminoacid? a proteinei codificate de ea; оn prezent adesea este mai simplu

a se determina structura primar? a proteinei pe aceast? cale indirect?

decвt cu ajutorul secven?rii directe, adic? prin descifrarea succesiunii

aminoacizilor оn proteine. Dac? determinarea succesiunii aminoacide a

proteinei dureaz? luni ?i chiar ani оntregi, apoi оn prezent se reu?e?te a

secveniza ADN-ul оn cвteva s?pt?mвni.

Importan?a acestei metode pentru ingineria genic? ne-o demonstreaz?

faptul c? savantul american U. Hilbert, autorul ei a fost distins cu

premiul Nobel. Оn prezent experimentatorul poate citi cвte 1000 –5000 de

nucleotide pe zi. Prelucrarea ?i analiza multilateral? a acestei cantit??i

de informa?ie este deseori imposibil? f?r? ma?ina electronic? de calcul

(MEC), care a devenit un aparat indispensabil al laboratorului de inginerie

genic?. MEC poate de asemenea prezenta, ?inвnd cont de succesiunea

nucleotidelor, specificul proteinei, pe care оl va produce aceast? gen?.

Toat? aceast? informa?ie ma?ina o p?streaz? оn memoria sa.

Exist? cвteva centre ?tiin?ifice, unde se p?streaz? informa?ia cu privire

la structura primar? a genelor. Ce creeaz? o banc? de succesiuni

nucleotide, оnzestrate cu o puternic? MEC. Asemenea b?nci exist? ?i оn

multe ??ri str?ine. Ele toate sunt unite printr-un sistem mondial unic,

pentru ca оn orice moment s? se poat? ob?ine informa?ia despre anumite

gene.

Astfel ingineria genic? aduce nu numai un aport important la cercet?rile

fundamentale оn domeniul biologiei moleculare, ci contribuie totodat? la

elaborarea unor aspecte practice ?tiin?ifice de mare importan??, inclusiv

ale sistematicii.

15.3 Realiz?rile ?i perspectivele genosistematicii

Care sunt rezultatele practice ob?inute de genosistematic?? Cercet?ri ce

au avut un scop practic bine definit au fost оncepute de I. Blohina la

Institutul de cercet?ri ?tiin?ifice оn domeniul epidemiologiei ?i

microbiologiei din Gorchii Mai tвrziu la acest institut a fost creat primul

laborator specializat, care solu?ioneaz? probleme importante de

microbiologie ?i epidemiologie practic?.

Rapiditatea ?i exactitatea sunt avantaje ale metodelor genosistematice de

identificare a microbilor. Ele au mare importan?? atunci cвnd propriet??ile

microbului sunt denaturate оn urma contactului cu preparatele

medicamentoase sau оn urma variabilit??ii ne ereditare obi?nuite.

Aceste variabilit??i lezeaz? prea pu?in programul, dar оn complexul

caracterelor fenotinului aduc tr?s?turi care denatureaz? «portretul»

microbului, f?cвndu-l de ne recunoscut. Iat? un exemplu din practic?. Оn

una din taberele de pionieri din Crimeia copiii au оnceput a avea tulbur?ri

gastrointestinale. Prin metodele obi?nuite nu s-a putut determina cu

exactitate agentul patogen. Medicii au fost nevoi?i s? recurg? la

experien?e de hibridizare molecular? a ADN-ului. Ele au dat rezultate

univoce, care au permis a se identifica microbul ?i a se lua m?suri

antiepidemice.

Metoda de hibridizare a ADN-ului s-a dovedit a fi foarte util? pentru

sistematica microorganismelor. Mult timp savan?ii nu erau siguri de

existen?a unor grupuri de microbi. Pe baza comunit??ii caracterelor lor

fenotipice, cocii, lactobacilii, vibrionii ?i multe alte grupuri, dup? cum

s-a constatat, includeau specii ne оnrudite.

Printre numeroasele specii de microbi exist? ?i un grup de bacterii

luminiscente, al c?ror loc оn sistematic? este determinat foarte vag.

Оn anii 1965-1969 lucr?torii ?tiin?ifici ai vasului marin «Viteazi» au

separat din apa marin? 50 de tulpini ale acestor microbi. Multe din ele n-

au putut fi determinate prin metodele cunoscute conform caracterelor lor

fenotipice. Savan?ii au hot?rвt s? fac? analiza ADN-ului. Ea a ar?tat c?

dintre tulpinile separate 5 fac parte dintr-o nou? specie de bacterii

luminiscente, numit? fotobacterium belozerschii, mo?tenind numele unuia

dintre fondatorii genosistematicii.

Utilizarea criteriilor geneticiii moleculare a scos din impas sistematica

contemporan? a microorganismelor. Experien?ele asupra ADN-ului au permis

examinarea de pe pozi?ii noi a locului pe care оl ocup? оn sistematic?

multe plante ?i animale superioare.

Speciile de grвu, de exemplu, aproape nu se deosebesc dup? componen?a ADN-

ului atвt оntre ele, cвt ?i оntre speciile din genurile apropiate egilops,

secar?, orz. Totodat? ADN-ul diferitelor specii de crin, ceap? adeseori nu

se aseam?n? dup? structur?.

Pentru separarea genurilor, familiilor, oridinelor ?i a grupelor

sistematice mai superioare e nevoie de o apreciere obiectiv? a distan?ei

genetice dintre ele, a gradului de divergen?? a genotipurilor care formeaz?

speciile lor.

Ce poate oferi genosistematica оn scopul solu?ion?rii acestei probleme

dificile?

Toate cercet?rile оn care se folose?te metoda de hibridizare a ADN-ului

au condus la aceea?i concluzie: partea succesiunilor omologice (identice) a

nucleotidelor оn ADN scade pe m?sur? ce compar?m оntre ele speciile cu un

grad tot mai mic de rudenie filogenetic?.

La speciile din diferite clase de animale vertebrate, de obicei, se poate

g?si оn ADN 5–15% de succesiuni omologice de nucleotide, la speciile din

diferitele ordine de aceea?i clas? – de la 25 pвn? la 40% ?. a. m. d.,

inclusiv pвn? la speciile de acela?i gen, care deseori nu pot fi

recunoscute.

Aceste aprecieri cantitative ale asem?n?rii materialului genetic pot fi

utilizate оn solu?ionarea cazurilor discutabile, atunci cвnd diferi?i

sistematicieni apreciaz? оn mod diferit rangul taxonului. De exemplu,

majoritatea sistematicienilor divizeaz? оn prezent pe?tii оn dou? clase:

pe?ti cartilagino?i ?i pe?ti oso?i. Dup? ce a fost hibridizat ADN-ul

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34