L’ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA
GENI E GENOMI
MUTAZIONI GENICHE
ALTERAZIONI DEL CARIOTIPO
L’ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA
2001 Febbraio :Sequenza
Sequenza completa genoma umano,
prodotta dall’International Human Genome Sequencing
Consortium e Venter et al.. 2001 (compagnia privata)
2010: Sequenza completa genoma di circa 400 specie
L’ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA
Geni e Genomi
GENOMA
Genoma
Genoma
Genoma
Genoma
aploide(gametico) Drosophila melanogaster - circa 1,5 x108 bp
aploide(gametico) umano- circa 3,2 x10
x 9 bp
aploide(gametico) anfibi cento volte il contenuto DNA umano
eucariote unicellulare Amoeba dubia 200 volte quello umano
CROMOSOMA
Molecola DNA strettamente avvolta
GENE sequenza di acido nucleico (DNA o, in alcuni virus, RNA) che codifica un prodotto
che, da solo, o in combinazione con altri prodotti, ha una funzione distinta all’interno di
un organismo. La variazione a livello della sequenza delle coppie di basi può o non può
essere riflessa nella sequenza o nelle proprietà funzionali del prodotto.
Un locus è un sito su un cromosoma, o il gene che occupa un sito.
Alleli, forme diverse del gene
Trascrizione geni: regioni di controllo, sequenze non trascritte
Diagramma di gene eucariote,
eucariote del suo trascritto primario
(pre-mRNA), e dell'mRNA maturo.
Splicing alternativo (diversità!)
Il 35% dei geni umani sembra essere soggetto a splicing alternativo
Il codice genetico, come espresso nell'RNA messaggero.
L’ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA
L’ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA
La gran parte del DNA non viene trascritto
28% genoma umano trascritto (ma consiste anche di introni)
5% genoma codifica per proteine
45% genoma umano sequenze ripetitive (4,3 milioni di
elementi)
Geni che codificano per proteine sono membri di famiglie geniche: gruppi di geni
con sequenza simile e funzione collegata, che derivano da un comune gene
ancestrale
Sequenze ripetitive in tandem, DNA satellite
Pseudogeni: gene non codificante di una famiglia genica
DNA satellite regolare: mini e microsatelliti
Short and long interspersed nuclear elements (SINE; LINE)
DNA ripetitivo sparso che va incontro a processi di trasposizione: elementi
trasponibili
Regioni neutrali del genoma
Il nostro genoma è costituito approssimativamente dal 95% di DNA
non codificante
Esoni
Introni
α-globulina μ-satellite
Ψ − gene
β-globulina mini emoglobina
satellite
Le regioni neutrali non codificano per le proteine
Regioni neutrali del genoma
Poichè non codificano per una proteina, la selezione naturale è
assente o debole in queste regioni
Le regioni neutrali del DNA tendono perciò ad accumulare
mutazioni più velocemente delle regioni codificanti
Esoni
Introni
α-globulina μ-satellite
Ψ − gene
β-globulina mini emoglobina
satellite
Le regioni neutrali non codificano per una proteina
Regioni neutrali del genoma
Gli Pseudo-geni sono copie inattivate di geni funzionali.
funzionali
Esoni
Introni α-globulina
α-globulina μ-satellite
satellite
β
β-globulina
mini emoglobina
satellite
mutazione
Esoni
Introni Ψ − gene
α-globulina μ-satellite
satellite
β
β-globulina
mini emoglobina
satellite
Le regioni neutrali non codificano per una proteina
Regioni neutrali del genoma
Il DNA Mini-satellite
satellite è DNA ripetitivo costituito da sequenze ripetute
lunghe ≈ 15 bp
DNA fingerprinting spesso utilizza queste regioni
Esoni
Introni Ψ − gene
α-globulina μ-satellite
satellite
β
β-globulina
mini emoglobina
satellite
Le regioni neutrali non codificano per una proteina
Regioni neutrali del genoma
Il DNA Micro-satellite
satellite è DNA ripetitivo costituito da sequenze ripetute
lunghe 2-4 bp.
Queste sono spesso molto variabili
Esoni
Introni
α-globulina μ-satellite
Ψ − gene
β-globulina mini emoglobina
satellite
Le regioni neutrali non codificano per una proteina
La famiglia genica delle
globine dell'emoglobina
umana
ha
due
sottofamiglie, α (verde) e
β
(blu),
situate
su
cromosomi diversi. (a)
Ogni gene funzionale è
indicato da tre linee, che
rappresentano i suoi tre
esoni. Gli pseudogeni
sono indicati con ψ. (b)
Un albero filogenetico per
la famiglia genica delle
globine dell'emoglobina,
con la mioglobina come
outgroup.
Le Diverse Regioni del DNA
Le regioni codificanti non sono neutrali
Esoni
Introni
α-globulina μ-satellite
Ψ − gene
β-globulina mini emoglobina
satellite
Le regioni neutrali non codificano per una proteina
Nelle regioni codificanti
• Alcuni cambiamenti sono neutrali
• Alcuni cambiamenti non sono neutrali
Le mutazioni causano differenze nella sequenza
aminoacidica
AU G UAC C GAC U GAU C CAAU G CAAG CAC UAA
Start-Tyr-Arg-Leu-Ile-Gln-Cys
Cys-Arg-Pro-Stop
Questa mutazione risulta in una
sostituzione aminoacidica
Start-Tyr-Arg-Met-Ile-Gln-Cys
Cys-Arg-Pro-Stop
AU G UAC C GAAU GAU C CAAU G CAAG CAC UAA
Molte Mutazioni non hanno effetto a causa
della ridondanza del codice genetico
AU G UAC C GAC U GAU C CAAU G CAAG CAC UAA
Start-Tyr-Arg-Leu-Ile-Gln-Cys
Cys-Arg-Pro-Stop
Questa mutazione non provoca una sostituzione aminoacida
Start-Tyr-Arg-Leu-Ile-Gln-Cys
Cys-Arg-Pro-Stop
AU G UAC C GAC U CAU C CAAU G CAAG CAC UAA
Tasso di evoluzione e posizione nel codone
• La prima posizione è la più conservata
– Un cambiamento comporta quasi
sempre una sostituzione aminoacidica
• La terza posizione è la meno conservata
– Un cambiamento frequentemente non
causa una sostituzione aminoacidica
Tipi di mutazione:
a) a) Mutazioni puntiformi: sostituzione di una base
Transizioni: pirimidina con pirimidina (C-T o T-C)
purina con purina (A-G o G-A)
Le transizioni sono spesso silenti (Mutazioni sinonime o silenti),
la maggior parte avvengono nella terza posizione.
Transversioni: purina con pirimidina o viceversa (C-A o T-G o T-A o C-G)
Le transversioni portano più spesso delle transizioni alla sostituzione
dell’aminoacido corrispondente (Mutazioni non sinonime)
b) Mutazioni frameshift: inserzioni e delezioni
brevi inserzioni o delezioni di basi in una sequenza di DNA.
Se avvengono in regioni codificanti porteranno ad avere un aminoacido in più o
in meno se il numero di basi inserite è un esatto multiplo di tre, altrimenti
provocheranno uno slittamento nella lettura durante la formazione dell’mRNA.
MUTAZIONI GENICHE
Transversione A-T
Esempi di mutazioni puntiformi e le loro
conseguenze per l'RNA messaggero e la
sequenza aminoacida
(slittamento nella replicazione/replication
replicazione/
slippage)
DIVERSITA’ !
CAMBIAMENTI ORIGINATI PER RICOMBINAZIONE
Ricombinazione intra-genica: origina nuove sequenze quando avviene
l’allineamento tra sequenze omologhe che differiscono per due o più
coppie di basi
Conversione genica: gameti di un eterozigote si ritrovano in proporzioni
diverse
Crossing-over ineguale: può avvenire tra due sequenze o cromosomi
omologhi non perfettamente allineati.
allineati
CAMBIAMENTI NELLA SEQUENZA NUCLEOTIDICA CHE
SI ORIGINANO PER RICOMBINAZIONE
Il crossing-over ineguale, origina spesso tra sequenze
che includono ripetizioni:
…..ABBC
…ABBC
CAMBIAMENTI CAUSATI DA ELEMENTI TRASPONIBILI
1) I retrotrasposoni
non-LTR
(2) I retrotrasposoni
(3) I retrovirus
Alcuni tipi di elementi trasponibili. (a) elementi trasponibili di DNA sono fiancheggiati da
sequenze ripetitive invertite. (b) i retroelementi includono un gene (RT) che codifica la
trascrittasi inversa: trascritti in RNA, poi (retro-)
(retro trascritto (trascritto in modo nverso)
in DNA copia (cDNA),che si inserisce nel genoma.
genoma
Ricombinazione tra copie di elementi trasponibili:
delezioni e inversioni
a) ricombinazione tra due sequenze ripetitive dirette
b) ricombinazione tra due sequenze ripetitive invertite
Effetti sul genoma causati da elementi trasponibili
- inseriti regione codificante:
codificante alterazione e distruzione
della proteina
-
inseriti
regione
di
controllo:
interazione
con
l’espressione genica
- aumentano tasso mutazione
- causano riarrangiamenti nel genoma
- inseriscono cDNA
(DNA complementare sintetizzato da RNA maturo)
anche di altri trascritti
- accrescono dimensioni genoma
ESEMPI DI MUTAZIONE:
geni coinvolti nell’evoluzione di specifiche caratteristiche
Filogenesi degli Hominoidea e la sua divergenza da un outgroup, il topo.
(in giallo sostituzioni non sinonime nel gene FOXP2 che codifica per un fattore
di trascrizione). Causa disordini nella parola e articolazione del linguaggio .
-90 milioni di anni fa: topo – orango; - 7 milioni di anni fa scimpanzè –uomo.
Possono rappresentare mutazioni importanti nell’evoluzione della parola e del
linguaggio (Zhang et al.2002, Enard et al.2002
2002)
TASSI DI MUTAZIONE
Tasso di mutazione è misurato come numero di origini indipendenti per copia del gene
(es. per gamete) per generazione o per unità di tempo (es. per anno)
Metodi per stimare i tassi di mutazione:
•
Su base fenotipica (genetica classica, effetto fenotipico della mutazione)
•
Su base molecolare, espressi per coppie di basi.
•
Es. tasso di mutazione ad un locus 10-6 – 10-5 per gamete per generazione
Metodo diretto: n° di mutazioni che insorgono in ceppi di laboratorio.
Metodo indiretto: n° di differenze di coppie di basi tra geni omologhi in diverse
specie, in relazione al numero di generazioni passate, dalla divergenza dal loro
più recente antenato comune.
Esempi: 10-11 – 10-10 per replicazione nei procarioti
10-9 per generazione sessuale negli eucarioti
4,8x 10-9 per coppia di basi per generazione nel genoma umano
RETROMUTAZIONI- mutazione di un allele mutante nell’allele da cui ha avuto origine.
Tasso molto inferiore alle mutazioni in avanti.
avanti
Tassi di mutazione spontanea di specifici geni
Specie,locus
mutazioni stimate x100000 cellule o
Drosophila melanogaster
Occhi bruni
3
Senza occhi
6
Homo sapiens
Retinoblastinoma
1,2-1,3
Acondroplasia
4,2-4,3
Tasso di mutazione per gamete per generazione di circa 10-5 – 10-6
IMPLICAZIONI EVOLUTIVE
Con tassi così bassi di mutazione come può avvenire l’evoluzione?
•
Genoma umano 6,6 x109 bp,
•
tasso m. 2,4 x10
-9
bp per anno (una gener. =20 anni)
2,5 % sequenze genomiche trascritte funzionali, 7 mutazioni saranno espresse
Altre stime nell’uomo ad es.
in una popolazione di 500000 esseri umani, 800000 nuove mutazioni compaiono ad
ogni generazione
Effetto
dell'accumulo
di
mutazioni
spontanee per la sopravvivenza dall'uovo
all'adulto di Drosophila melanogaster.
EFFETTI DEI MUTAGENI
Tassi di mutazione nel topo,
stimati dalle sequenze di DNA
in 2 loci della prole.
Aumento del tasso di mutazione
siti urbani-industrializzati
(Sommers et al. 2004)
”
MUTAZIONI NEI “MASTER CONTROL GENE”
Capo di moscerino che porta la mutazione
Antennapedia (complesso di geni Hox che
conferiscono identità ai segmenti del corpo)
Effetto fenotipico delle mutazioni omeotiche che fanno
deviare il processo di sviluppo da un percorso a un altro.
EFFETTI DELLE MUTAZIONI SULLA FITNESS
Distribuzione di frequenza cumulate degli effetti di una
nuova mutazione sulla fitness del batterio Escherichia coli
e del lievito Saccharomyces cerevisiae.
cerevisiae
AA andati incontro a
sostituzioni, in giallo
AA in rosso influenzano
la fitness
AA in celeste determinano le
differenze tra due ceppi
Sostituzioni in popolazioni sperimentali di ceppi di batteriofagi , che come
quelli naturali si adattano a specie di batterio ospite ad alta temperatura. Delle
molte sostituzioni aminoacidiche molte si verificavano ad un piccolo numero di
siti nucleotidici, e di queste molte corrispondevano a quelle trovate in natura.
L’EVOLUZIONE DI QUESTI FAGI PUO’ SEGUIRE UN CERTO NUMERO DI PERCORSI
MUTAZIONE COME PROCESSO CASUALE
LIMITI:
• le m. possono causare alterazioni di tratti preesistenti.
• La direzione è limitata
Possono essere vantaggiose ed interessare solo pochi geni
La rarità delle mutazioni può aiutare a spiegare perché i viventi non si sono
adattati ad un più ampio spettro di ambienti
Le mutazioni avvengono a caso, anche se non tutte le possibili mutazioni possono
avvenire (vedi differenze nei tassi di m.)
1) Potremmo poter predire la probabilità che una certa m, avvenga, ma non si
può conoscere quale copia del gene, tra le molte presenti nella popolazione,
andrà incontro a mutazione.
2) La probabilità che compaia una mutazione non è influenzata dal fatto che la
mutazione possa o meno essere vantaggiosa per l’organismo nell’ambiente in
cui vive.
L’AMBIENTE NON INDUCE MUTAZIONI ADATTATIVE
ALTERAZIONI DEL CARIOTIPO
Il metodo del replica plating, usato da Lederberg per mostrare che la
mutazione
per
la
resistenza
alla
penicellina
avviene
spontaneamente, prima dell'esposizione alla penicellina, piuttosto
che essere indotta dall'esposizione a questa sostanza.
Alterazioni del cariotipo
Poliploidia: presenza di più set (>2) di cromosomi
omologhi. In una specie diploide vengono prodotti
occasionalmente gameti diploidi, ovvero non avviene la
riduzione dei cromosomi durante la meiosi. L’unione, per
esempio, di un gamete non ridotto (con 2N cromosomi) e
di un gamete ridotto (con N cromosomi), produrrà uno
zigote triploide.
La poliplodia si distingue in
autopoliploidia
allopoliploidia
AUTOPOLIPLOIDIA
I cromosomi provengono tutti dalla stessa specie E’ causata dalla fusione di un
gamete diploide con un normale gamete aploide
AA
AA
AA
A
AAA
ALLOPOLIPLOIDIA
I cromosomi provengono da specie diverse
E’ causata dall’ibridazione fra specie affini
AA
BB
A
B
AB
AB
AABB
L’allotetraploidia può essere la
causa della formazione di nuove
specie: set di cromosomi non
omologhi non possono formare
sinapsi durante la meiosi. Se
entrambi i set sono doppi, tutti i
cromosomi hanno il loro omologo e
la meiosi può avvenire
Iris setosa N=18, 2N=36
Iris virginica N=36, 2N=72
I. Versicolor N=54, 2N=108
La variazione genetica può essere generata da alterazioni
cromosomiche
Monosomia e Trisomia:: l’inseparabilità dei cromosomi può portare alla
formazione di copie extra di cromosomi in alcuni gameti e alla perdita
di cromosomi in altri gameti. Questa alterazione è spesso letale
Trisomia nell’uomo
La traslocazione reciproca tra due cromosomi non omologhi
Inversioni
A) Cromosomi fusi nelle cellule
delle
ghiandole
salivari
di
Drosophila, visibili al microscopio
elettronico.
B) schematizzazione del loop in
(A): due cromosomi omologhi
differiscono per una inversione
della regione C-I. Il crossing over
fra i due cromatidi (fra F e G)
origina
prodotti
privi
di
centromero o di blocchi di geni.
