Gena (din gr. “genos” – descendentă) reprezintă unitatea elementară a eredităţii. Pentru a specifica particularităţile eredităţii G. Mendel (1865) a folosit termenul de “factor ereditar”. Noţiunea de genă a fost propusă de W.I.Johannsen (1909) pentru a desemna unitatea ereditară de bază, care este localizată în cromozomi şi nu prezintă subdiviziuni. Genele sunt redate prin simboluri din 1-5 litere, care desemnează succint caracterul afectat în limbile latină sau engleză. Tipul normal (sălbatic) al caracterului respectiv se notează cu semnul “+”. Genele apărute prin modificarea genelor normale sunt numite gene mutante. De regulă, genele sălbatice sunt dominante (predomină în prima generaţie).În rezultatul procesului de mutaţie, una şi aceeaşi genă poate apărea sub mai multe forme discrete, cunoscute sub denumirea de alele. Alelele sunt expresii diferenţiate ale unui caracter. În fiecare cromozom există doar o singură genă alelă. În organismele diploide, fiecare genă se află în doză dublă în cei doi cromozomi omologi, ocupând acelaşi locus şi fiind gene identice (alele). În cazul în care gena a suferit mai multe procese mutaţionale în aceşti loci se pot găsi gene polialele.În funcţie de plasarea lor în autozomi sau heterozomi, genele pot fi autozomale sau heterozomale. În cazul plasării lor în heterozomi, genele manifestă fenomenul de sex-linkage, transmiţându-se cu frecvenţă mai mare la unul dintre sexe.După funcţia lor, genele sunt divizate în: gene structurale, gene reglatoare şi gene operatoare.Genele structurale codifică diferite proteine cu rol structural sau enzimatic. Cele operatoare declanşează sau nu activitatea genelor structurale. Genele reglatoare controlează şi dirijează activitatea genei operatoare şi a genei structurale.
Evoluţia conceptului de genă
T.H.Morgan şi colaboratorii săi (1910), în rezultatul investigaţiilor efectuate cu musculiţele de oţet, au stabilit că genele sunt localizate în cromozomi şi sunt particule materiale, aranjate liniar de-a lungul cromozomului, iar fiecare genă ocupă un loc bine definit, care se numeşte “locus”.Pornind de la această idee, a fost elaborată concepţia clasică, conform căreia gena are trei caracteristici de bază:– unitate funcţională (determină caracteristicile ereditare);– unitate mutaţională (structura chimică a genei se schimbă prin mutaţie, ceea ce duce la apariţia caracterului nou);– unitate de recombinare (în cadrul procesului de crossing-over are loc un schimb de gene corespunzătoare între cromatidele nesurori ale cromozomilor omologi ).În concepţia clasică gena stabileşte ordinea aminoacizilor în molecula proteică ce determină caracterul dat. O genă este alcătuită din aproximativ 900-1500 de nucleotizi din lanţul de ADN (sau ARN viral).În anul 1941 concepţia clasică despre genă s-a completat cu ipoteza “o genă – o enzimă”, formulată de G.W.Beadle şi E.L.Tatum. Iradiind cu raze ultraviolete culturile prototrofe de ciuperci Neurospora sitophila şi Neurospora crassa, ei au obţinut o serie de mutaţii biochimice dependente de sinteza anumitor enzime. G.W.Beadle şi E.L.Tatum consideră că între gene şi enzime există raportul 1:1. Ipoteza “o genă – o enzimă” susţine că fiecare genă controlează sinteza şi funcţionarea unei anumite enzime.Constatarea, după anul 1944, a faptului că genele sunt molecule complexe, constituite din acizi nucleici (ADN şi ARN la unii viruşi), a determinat schimbarea vechii concepţii despre genă. S-a stabilit că gena corespunde unui segment de acid nucleic format dintr-o secvenţă liniară de nucleotizi în care este înscris un mesaj chimic sau informaţia ereditară.După apariţia geneticii moleculare, în anii 50-60, gena este definită drept un segment de ADN sau ARN care conţine informaţia genetică necesară sintezei unei catene polipeptidice. Gena este alcătuită dintr-o secvenţă de codoni care codifică succesiunea aminoacizilor într-o catenă polipeptidică.Conform concepţiei “o genă – o catenă polipeptidică”, unele proteine sunt sintetizate pe baza informaţiei genetice din două sau mai multe gene. De exemplu, hemoglobina A de la om este alcătuită din două catene polipeptidice a şi b şi este determinată de două gene diferite. V.M.Ingram (1957) pune în relief particularităţile de structură a hemoglobinei (HbS), diferită de cea normală (HbA), prin substituţia glutaminei cu valina în poziţia a 6-a a lanţului β) .S.Benzer (1957), cercetând mutaţiile –r a fagului T4 ce parazitează pe E . coli, a dovedit că mutaţiile şi recombinările pot avea loc la nivel intragenic, adică la nivelul codonilor şi a nucleotizilor aparte. El propune o serie de noţiuni noi, şi anume:– muton – cea mai mică subdiviziune a genei, echivalentă după mărime cu un nucleotid, a cărui schimbare se soldează cu o mutaţie;– recon – cea mai mică subdiviziune a genei care poate fi separată şi schimbată prin crossing-over;– cistron – cea mai mică parte funcţională a materialului genetic reprezentat de ADN (sau ARN viral).P.A.Sharp (1977) a constatat că segmentul de ADN dintr-o genă particulară este mult mai lung decât segmentul respectiv de ARNm transcris de pe această genă. Astfel, gena constă din secvenţe informaţionale şi neinformaţionale.W.Gilbert (1978) a propus termenii de exon pentru denumirea fragmentelor informaţionale şi intron pentru fragmentele neinformaţionale.B.Mc.Clintorck încă în an.1940 a demonstrat fenomenul de instabilitate somatică la porumb. Datorită acestui fenomen, pe frunze, pe tulpini, pe inflorescenţe, pe endospermul boabelor etc. apar pete de culoare. Pentru a explica fenomenul, B.Mc.Clintorck a presupus că există elemente de control, care au capacitatea de a circula dintr-o regiune în alta a genomului şi se pot insera în diverse locuri în genom. Aceste elemente au fost numite elemente genetice transpozabile (transpozoni).Astfel, s-a dovedit că gena este o unitate mult mai complexă decât se credea iniţial. Conform concepţiei moderne:– gena constituie unitatea funcţională a informaţiei ereditare;– gena prezintă segmentul de ADN (sau ARN viral) format în medie din 1000–1500 de nucleotizi dispuşi liniar; – în cadrul genei pot avea loc recombinări şi mutaţii;– există gene structurale şi reglatoare;– genele structurale codifică sinteza proteinelor;– genele reglatoare controlează şi dirijează acţiunea genelor structurale;– există diferite mecanisme ale reglării activităţii genelor la procariote şi eucariote.
Activitatea genică la procariote
Materialul genetic la procariote se caracterizează printr-o serie de particularităţi, şi anume:1.genomul bacterian este alcătuit din două categorii de determinanţi genetici:a) genele esenţiale (eucromozomiale), localizate în cromozomul bacterian;b) genele accesorii, localizate în afara cromozomului bacterian, există, mai mult sau mai puţin, autonom (plasmidele, elementele genetice transpozabile, fagii);2. molecula de ADN este circulară (marginile ei sunt unite prin legături covalente);3. molecula de ADN nu formează complexe cu proteinele histonice şi nehistonice (este nudă);4. genomul bacterian este reprezentat printr-un număr relativ restrâns de gene;5. genomul bacterian conţine un singur grup linkage (caracteristic “cromozomului bacterian” sau nucleoidului);6. bacteriile sunt organisme haploide (atunci când nu are loc replicarea ADN), dar pot fi diploide şi parţial diploide, în funcţie de sinteza ADN);7. transmiterea caracterelor ereditare este diferită de cea a eucariotelor, întrucât lipseşte procesul clasic al reproducerii sexuale.Cromozomul bacterian este alcătuit dintr-o moleculă de ADN dublu catenară circulară. Lungimea ei variază între 1000–1400 μm, diametrul fiind de 2,5 nm. Numărul de nucleotizi la E.coli este de 4,1· 106, iar masa moleculară de circa 2,5· 109 daltoni.Se presupune, că nucleoidul văzut la microscopul electronic reprezintă ADN-ul condensat, genetic neactiv (Ryter, Cohen, 1975), iar secvenţele de ADN ce se transcriu sunt prezentate sub formă de bucle, externe nucleoidului.Numărul de gene în cromozomul bacterian este de câteva mii (de exemplu, la E. coli – circa 4000).După funcţia lor, genele respective se divizează în:– gene structurale, ce determină structura primară a proteinelor (circa 90% din gene). În genom ele pot fi grupate în operoni (Jacob, Monod, 1961);– gene reglatoare, ce determină activitatea genelor structurale prin intermediul produsului lor (represor şi aporepresor);– gene operatoare, ce reprezintă receptorul semnalelor (represorului sau inductorului) şi asigură funcţionarea ordonată a operonului. Ele sunt parte componentă a operonului;– promotor – genă ce reprezintă un sector al operonului de care se leagă ARN – polimeraza, şi determină începutul transcripţiei;– terminator, ce reprezintă un sector al operonului unde are locul sfârşitul transcripţiei informaţiei genetice necesare;– iniţiator – genă ce determină sinteza produsului care declanşează replicarea ADN;– replicator ce reprezintă unităţi funcţionale de ADN şi dirijează replicarea;– secvenţe de inserţie – reprezintă fragmente mici de ADN (1-2 gene, circa 800-1400 de nucleotizi) care se pot deplasa în genomul bacterian, singure sau în complex cu unele gene structurale (transpozoni);– suprafeţe de legare – fragmente de ADN care se leagă de membrana celulară (mezozomi);– gene rARN şi tARN ce determină sinteza rARN (10-20 de gene) şi tARN (circa 50 de gene);– gene criptice (tăcute) – ce nu se manifestă (exprimă) în mod normal în cursul vieţii.Odată cu descoperirea importanţei acizilor nucleici în biosinteza proteinelor şi a mecanismelor de realizare a mesajului genetic a apărut problema modalităţii de asigurare a cantităţii optime de proteine necesare organismului. Se ştie, că sinteza unei proteine sau a unei enzime nu este constantă în timp, ea trebuie să se adapteze variatelor cerinţe ale funcţiei celulei.Schema generală a reglării activităţii genelor procariote a fost propusă de geneticienii F.Jacob şi J.Monod în 1961 şi expusă în lucrarea “Mecanismul reglajului genetic în sinteza proteinelor”. După schema de mai jos, genele cu funcţii înrudite, care funcţionează asociat, sunt organizate în operon (fig.1).

Un operon este transcris într-o singură moleculă de ARNm şi este alcătuit din gena-promotor, gena-operator, gena reglatoare, genele structurale şi terminator. Promotorul reprezintă o porţiune specifică de ADN care iniţiază transcripţia mesajului genetic de unde începe sinteza moleculelor de ARNm. De promotor se leagă ARN-polimeraza. Această secvenţă cuprinde cel puţin 1000 de nucleotizi. Urmează gena – operator, de care depinde funcţionarea operonului. Operatorul serveşte drept ţintă pentru proteina – represor, care împiedică o genă să funcţioneze, adică să fie transcrisă şi translată. Urmează genele structurale, care controlează sinteza unor proteine specifice cu rol structural sau enzimatic.La procariote genele structurale funcţionează în grup, iar la eucariote funcţionează individual.Genele structurale sunt urmate de un sector de ADN, numit terminator, care condiţionează sfârşitul transcripţiei ARNm .Genele promotor şi operator sunt precedate de către o genă reglatoare. Ea este separată de genele operonului, asupra căruia acţionează. Gena reglatoare, prin produsul său chimic (represor), dirijează activitatea genei operatoare şi a genelor structurale prin inducţia sau represia transcripţiei.Reglajul genetic la procariote este de două tipuri:1. inductibil – intervin în sinteză enzimele catabolismului.În lipsa substratului în celula bacteriană, proteina represor se fixează pe gena operator şi blochează transcripţia genelor funcţionale. În consecinţă, nu se produc enzime, ce ar participa la descompunerea substratului. Atunci când în celulă apare substratul, moleculele lui se fixează pe represor. Astfel, acesta nu se mai poate fixa pe operator. În rezultat, genele structurale se activează, are loc transcripţia ARNm şi sinteza enzimelor specifice necesare pentru metabolizarea substratului. Atâta timp cât în mediu şi în celulă este prezent substratul, enzima ce-l descompune se sintetizează permanent. Dacă substratul din mediu este consumat, represorul se eliberează şi trece în formă activă, blochează operatorul, iar genele structurale nu mai funcţionează.2. represibil – intervine în sinteza enzimelor anabolismului.Conform acestui mecanism, proteina represor blochează operatorul numai atunci când este asociată cu substratul. Când în celula bacteriană nu există substrat, operatorul este liber şi genele structurale funcţionează. Are loc transcripţia ARNm şi sinteza enzimelor necesare. Acest proces continuă până când apare surplus de substrat, care se uneşte cu proteina represor şi blochează operatorul. În rezultat, genele structurale se inactivează şi sinteza enzimei respective se întrerupe.

Rezultatele experienţelor lui F.Jacob şi J.Monod au fost confirmate şi completate în multe laboratoare. Sistemul operonului reprezintă unul dintre mecanismele de reglare a sintezei dintre proteine. Se presupune că organismele eucariote posedă sisteme asemănătoare, dar au un caracter mai complicat.

S-a descoperit că unii hormoni steroizi pot determina activitatea/inactivitatea anumitor gene. Conform datelor lui Watson şi col.(1983), aceşti hormoni se fixează în citoplasmă pe moleculele de receptori specifici. Aceste complexe receptor-hormon pătrund în nucleu (în timpul interfazei), unde mai apoi se unesc cu cromozomii şi afectează (pozitiv sau negativ) sinteza proteinelor.S-a stabilit că ARNm din celulele eucariote sunt monocistronice, astfel că un ARNm codifică o singură proteină.La eucariote, în cromozomul condensat cu histone, ADN-ul nu funcţionează ca matrice pentru transcripţia ARNm , genele sunt în stare de represare. Trecerea acestor gene în stare activă este posibilă doar prin înlăturarea histonelor şi eliberarea ADN-ului. Eliminarea histonelor are loc sub acţiunea histon-proteazei.Reglarea expresiei genelor la organismele eucariote se face, în primul rând, la nivelul transcripţiei. În unele cazuri, reglarea se poate manifesta şi în momentul decodificării mesajului la nivelul translaţiei. Astfel, unele proteine sunt capabile de a se fixa într-o manieră selectivă pe propriul ARNm, în acest fel împiedicând ribozomii să sintetizeze proteina respectivă în cantitate mai mare.Spre deosebire de genele procariote, care sunt unitare atât în replicare, cât şi în transcripţie şi translaţie, genele organismelor eucariote sunt unitare în replicare, dar neunitare şi discontinue în transcripţie şi translaţie. S-a demonstrat că genele organismelor eucariote sunt fragmentate în exoni şi introni.Intronii şi exonii într-o genă ocupă poziţii stabile, şi sunt variabili în număr şi mărime. Astfel, gena ce codifică actina (proteina necesară motilităţii celulei) posedă doi exoni şi un singur intron. În genele ce codifică fiecare dintre lanţurile hemoglobinei, există trei exoni separaţi şi doi introni. În gena ce codifică colagenul (proteina ce asigură elasticitatea pielii), există câteva zeci de introni.Cercetările efectuate de către Slonimski şi col. (1978, 1980) au demonstrat că intronii participă la reglarea expresiei genelor prin controlul cantităţii de proteine sintetizate sub acţiunea genelor.Ipotetic, se consideră că intronii au fost prezervaţi de evoluţie în cromozomii eucariotelor, deoarece ei au un rol particular, prezent doar la eucariote şi absent la procariote. Pornind de la diferenţa fundamentală dintre procariote şi eucariote (prezenţa diferenţierii celulare la organismele superioare), a apărut ipoteza privind existenţa unei legături dintre introni şi reglarea expresiei genelor.De menţionat că reglarea activităţii genelor în celulele eucariote are loc pe tot parcursul procesului de realizare a informaţiei genetice, de la transcripţie până la translaţie. Deosebim cinci niveluri principale de reglaj genetic:1. reglajul transcripţional, prin care se determină tipul genelor ce vor fi transcrise în ARNm ;2. reglajul maturării ARNm , prin care este dirijat modul în care are loc eliminarea intronilor din gene şi procesul de asamblare a exonilor pentru a forma ARNm . Aceste procese au loc în nucleu, iar următoarele – în citoplasmă;3. reglajul transportului ARNm , prin care se selectează moleculele de ARNm matur, moleculele ce vor trece din nucleu în citoplasmă;4. reglajul translaţional, prin care se selectează moleculele de ARNm ce vor fi translate în proteine;5. reglajul degradării ARNm ,prin care se selectează moleculele de ARNm ce vor fi degradate (fig.4). [Image]Fig.4. Nivelurile reglajului genetic la eucariote.
Deşi reglajul genetic se poate realiza la oricare dintre nivelurile menţionate, cel mai important la eucariote este nivelul transcripţional.Pentru controlul transcripţiei genelor există doar două mecanisme de reglaj genetic:– reglajul negativ, prin care genele funcţionează numai în prezenţa proteinelor represoare;– reglajul pozitiv, prin care genele funcţionează numai în prezenţa unor proteine inductoare.În celulele eucariote sunt prezente ambele mecanisme de reglaj, însă predomină mecanismul de reglaj pozitiv. Pentru celulă este mai economic să sintetizeze proteine inductoare pentru 7-10% din ADN, care se transcriu în ARNm, decât să sintetizeze proteine represoare pentru 90-93% din genom.În reglajul genetic, la eucariote, intervin două tipuri de proteine cromozomiale: histonice şi nonhistonice. Histonele asigură stabilitatea structurii fibrei de cromatină, condensarea sa în cromozomii eucariotelor şi inactivarea nespecifică a genelor. Nonhistonele au un rol important în reglajul specific diferenţiat al genelor. Prezenţa lor determină tipul genelor ce vor fi transcrise în anumite celule şi ţesuturi.