Alleli e mendel

MUTAZIONI
polimorfismi
Alterazioni fenotipiche
Basi molecolari
della variabilità genetica
Mutazioni sporadiche
Alterazioni funzionali
Basi molecolari
delle malattie genetiche
1-COSA CAUSA LE MUTAZIONI?
Mutazioni spontanee:
Duplicazione.
3 miliardi di coppie di basi devono essere replicate
ad ogni divisione cellulare, in un periodo di 2-3 ore.
Con una velocità di circa 100.000 bp/sec.
Avvengono casualmente degli errori
Ricombinazione.
Processo fondamentale per generare “diversità
biologica”, a causa della struttura di particolari
regioni genomiche, è un’altra fonte di possibili errori.
Segregazione.
Processo finale della mitosi e della meiosi.
Avvengono casualmente degli errori che portano
ad una errata ripartizione dei cromosomi nelle cellule
figlie.
2-COSA CAUSA LE MUTAZIONI?
Mutazioni indotte:
fattori esogeni (mutageni chimici, ionizzanti e irradiazione UV, calore)
Radiazioni UV
Il risultato è generalmente una delezione.
Calore
Il calore provoca idrolisi dei legami β-N-glicosidici,
creando un sito senza base. Lo zucchero-fosfato
rimanenti vengono facilmente persi lasciando così un
“buco”.
Agenti chimici e fisici causano mutazioni
• L’idrolisi di basi puriniche,
A o G occorre 1000 volte
in ogni cellula ogni ora
• La deaminazione rimuove
gruppi–NH2. Cambia la C
in U, inducendo la
sostituzione con una coppia
A-T dopo la replicazione
• I raggi X rompono lo scheletro
del DNA
• I raggi UV
producono dimeri
di timina
L’ossidazione da parte di radicali liberi da
irradiazione danneggia singole basi
TIPI DI MUTAZIONI E STIMA
DELLE FREQUENZE
TIPO
MECCANISMO
FREQUENZA
ESEMPIO
Genomiche
N° cromosomi
Errori di segregazione
10-2/div. cell.
Aneuploidia
Cromosomiche
Struttura cromosomi
Errori di ricombinazione
6X10-4/div. cell.
Duplicazioni/Delezioni
Geniche
Poche basi
Errori della duplicazione
10-10/bp/div. cell.
10-5-6/ locus/gen.
Mut. puntiformi
DISTRIBUZIONE GENOMICA DELLE MUTAZIONI
Le
mutazioni
non
sono
distribuite
casualmente
uniformemente nel genoma.
L’incidenza delle mutazioni nei diversi loci dipende da diversi fattori:
- dimensione del locus considerato
- capacità codificante o meno
- caratteristiche di sequenza.
ZONE CALDE DI VARIABILITA’
(HOT SPOTS MUTAZIONALI)
ed
Grandezza dei geni
Frequenza di mutazione
di alcuni geni
Gene
Nuove mutazioni per 106 gameti
Emofilia B
Aniridia
Retinoblastoma
Acondroplasia
Emofilia A
Distrofia muscolare di Duchenne
Neurofibromatosi
Polycystic kidney disease
2–3
2–5
5 – 12
6 – 40
32 – 57
43 – 105
44 – 100
60 – 120
La frequenza di mutazione (mutazione / gene / divisione cellulare) può
variare da 10-4 a 10-7 a seconda della grandezza del gene e del fatto che
vi siano “hot spots” mutazionali (la frequenza in molti loci è compresa
tra 10-5 e 10-6).
Il tasso di mutazione varia in regioni geniche
diverse
Il “tasso di mutazione” tiene conto sia dell’evento mutazionale
che della pressione selettiva
BASI MOLECOLARI DELLE MUTAZIONI SPONTANEE:
1-Sostituzioni di basi
Sono dovute ad errori, che intervengono nei meccanismi di replicazione e di
riparazione del DNA
•Tautomeria delle basi azotate:
Presenza di isomeri strutturali in
equilibrio dinamico
Si appaia con
G e non con A
Si appaia con C e
non con T
Si appaia con T e
non con C
•Deaminazioni e depurinazioni: Alcuni danni al DNA si originano in soluzione
acquosa a causa di reazioni spontanee di idrolisi:
base deaminata
base formata
Citosina
Uracile
C-G --> (U-A) T-A
Adenina
Ipoxantina
A-T --> (I-C) G-C
Guanina
Xantina
G-C --> (X-C) G-C
depurinazione
deaminazione
sostituzione di coppia di basi
Ogni giorno circa 5000 adenine o
guanine sono perse da ciascuna cellula
nucleata umana per rottura spontanea
del legame base-zucchero
Ogni giorno circa 100 citosine sono
deaminate spontaneamente, in ciascuna
cellula nucleata umana, producendo
uracile
La successiva replicazione del DNA
fissa la mutazione
BASI MOLECOLARI DELLE MUTAZIONI SPONTANEE:
2-Inserzione/delezione di poche basi
Il fenomeno dello slittamento della forca replicativa è
spesso la causa di brevi inserzioni/delezioni
Replicazione normale
Corte sequenze ripetute in
tandem
In questo caso si possono verificare
inserzioni/delezioni per
appaiamento errato causato da
scivolamento di un filamento
Slittamento indietro
Slittamento avanti
BASI MOLECOLARI DELLE MUTAZIONI SPONTANEE:
3-Inserzione/delezione di grandi regioni
Inserzioni/delezioni estese sono causate da
ricombinazione omologa ineguale (sequenze omologhe
non alleliche) o ricombinazione non omologa
(sequenze non omologhe o solo parzialmente
omologhe, intersperse nel genoma.
3
2
1
4
X
1
4
3
2
1
2
1
3
2
4
3
4
Meccanismi di riparazione del DNA
1. Diretto :
– fotodimeri (p.es., T ^ T, indotto da
raggi UV) riparato dalla photolyase
– gruppi alchilici : aggiunti da mutageni e
rimossi dalla alkyltransferase
Meccanismi di riparazione del DNA
2. Sistemi di riparazione omologiadipendenti
– Sfruttano la complementarietà del DNA
2.1. “excision repair”, riparazione del
danno prima della replicazione
2.2. “postreplication repair”, correzione
durante o dopo la fase S
2.1. Correzione Prereplicazione
2.1.1. “Nucleotide excision-repair system”
– Individuazione della/e base(i) anomala
mediante la distorsione dell’elica
– Enuclea la/e basi mutate e quelle vicine
– Ripristino della sequenza originale
mediante la complementarietà.
2.1. Correzione
Prereplicazione
2.1.2. “Base-excision repair”:
– Quando la distorsione
della doppia elica è troppo
piccola per essere
individuata dal sistema:
– Le “DNA glycosylases”
rimuovono la base mutata
– Correezione da parte del
sistema “AP site-specific
endonuclease pathway”
(riparazione della perdita
spontanea di purine o
pirimidine)
2.2. Correzione Postreplicazione
2.2.1. Correzione mediante Reicombinazione “
– La replicazione si arresta prima della
mutazione e continua dopo di essa
– Il “vuoto” viene riempito da frammenti di
DNA del cromatide fratello
– La mutazione non è corretta ma non viene
replicata
2.2. Postreplication repair
2.2.2. SOS system
– also recognizes lesions that block
replication
– but allows replication bypass of
blocking lesion
– mutation is not repaired and is
replicated
– can result in new mutations
2.2. Correzione Postreplicazione
2.2.3. “Mismatch repair system”
– Individua coppie di basi non
complementari
– Rimozione della base e successiva
correzione sulla base dello “stampo”.
Fortunatamente esistono meccanismi
di “riparazione del DNA”
Life span
100
human
elephant
cow
10
1
hamster
rat
mouse
shrew
DNA repair activity
Correlazione tra attività di riparazione del
DNA in cellule di varie specie di mammifero
e la vita media dell’organismo considerato
Mantenimento del genoma e
riparazione del DNA
Fattori genetici
(MMR)
Variations in Eye Color
Malattie autosomiche dominanti
• Espresse quando un solo cromosoma della
coppia porta l’allele mutato.
• Allele normale sul cromosoma omologo.
Caratteristiche dell’ereditarietà AD
• Fenotipo di solito presente in tutte le generazioni.
• Rischio pari al 50% di avere un figlio affetto.
• Persone sane non trasmettono la malattia ai propri
figli.
• Nessuna differenza di sesso nella trasmissione.
Può verificarsi la trasmissione da maschio a
maschio.
• Possono verificarsi nuove mutazioni.
Malattie autosomiche recessive
• Espresse soltanto quando entrambi i
cromosomi hanno una copia mutata del
gene.
Caratteristiche dell’ereditarietà AR
• Fenotipo presente nei fratelli ma non nei genitori,
figli o altri parenti.
• Machi e femmine affetti nella stessa proporzione.
• Entrambi i genitori sono carrier asintomatici.
• I genitori possono essere consanguinei.
• Il rischio di recidiva in un fratello è pari al 25%.
Fenotipo Dominante o Recessivo
Fenotipo Dominante
Fenotipo Recessivo
Albero genealogico
• Mostra la
trasmissione di un
carattere da una
generazione alle
successive
• Permette di
stabilire se il
carattere/malattia
è dominante o
recessivo
Arrotola la lingua
Non piega il pollice
Non arrotola la lingua
Riesce a piegare il pollice
Polidattilia
I
II
III
IV
Test for Red-Green Colorblindness
• Colorblindness is
caused by a malfunction
of light-sensitive cells in
the retina of the eyes
• What number do your
see?
• Like all X-linked
recessive traits,
colorblindness is very
rare in women. Why??
Ereditarietà X-Linked Dominante
• Sono affetti sia i maschi che le femmine; spesso più i
maschi che le femmine.
• Ogni membro affetto ha un genitore biologico affetto;
non c’è salto di generazione.
• I padri affetti trasmettono il tratto a tutte le figlie ma a
nessun figlio maschio.
• Una madre eterozigote trasmette il tratto a metà dei
suoi figli (sia maschi che femmine).
Ereditarietà X-Linked Dominante
Ereditarietà X-Linked Dominante
Ptosi Bilaterale Congenita: Locus: Xq24-Xq27.1
Ereditarietà Y-Linked
• I padri affetti trasmettono il tratto a tutti figli maschi ma a
nessuna delle figlie.
Ereditarietà Y-linked (Olandrica)
• “Hairy ears”
• Sinostosi Radio-ulnare? (fusione di radio & ulna)