Mutazione genica

MUTAZIONI
Mutazione genica: cambiamenti a livello del singolo
gene o al suo interno, vengono chiamate mutazioni
puntiformi.
Mutazione cromosomica:cambiamenti che interessano
tratti di cromosomi, cromosomi interi e ancora, interi
assetti cromosomici.
Mutazioni
• Genomiche: (±Ch). Sono dovute a non
disgiunzioni meiotiche (es. Trisomia 21).
• Cromosomiche: Traslocazioni,
amplificazioni, macrodelezioni.
• Geniche: microdelezioni, sostituzioni,
inserzioni di uno o pochissimi nucleotidi
(puntiformi). Associate a malattie
ereditarie Mendeliane.
Meccanismi patogenetici
delle mutazioni
•
•
Alterazione strutturale di una proteina con
formazione di un prodotto anomalo.
-Carenza del prodotto normale;
-Prodotto alterato che interferisce con
quello normale;
-prodotto alterato con funzione diversa.
Alterazione quantitativa (riduzione o
abolizione di una proteina ), per mutazioni
che riguardano le sequenze di splicing o dei
promotori.
TIPI DI MUTAZIONI
Mutazioni morfologiche
Mutazioni letali
Mutazioni condizionali
Mutazioni biochimiche
Mutazioni per resistenza
Mutazione: alterazione stabile ed
ereditabile del DNA
• Non sempre é un evento negativo.
• Può essere spontanea (molto rara) o
indotta (agenti chimici, fisici o virali).
• Se coinvolge le cellule germinali viene
trasmessa alla progenie (Malattie
ereditarie)
• Se coinvolge cellule somatiche può
essere implicata nella tumorogenesi
MUTAGENI
Mutageni fisici:
raggi-X e raggi Ultravioletti. I primi
producono composti chimici che alterano il DNA, i
secondi la formazione di dimeri di timina.
Mutageni chimici: Sostanze chimiche che agiscono in
modo diverso, per esempio sostituendo le basi normali
durante la replicazione del DNA (5-bromouracile e 2aminopurina),modificando chimicamente le basi (acido
nitroso, idrossilamina) oppure intercalandosi tra basi
adiacenti durante la replicazione del DNA (acridine,
bromuro d’etidio).
DANNI DEL DNA
•Depurinazione: consiste nella rimozione di una
purina (adenina o guanina) per rottura del legame
tra essa ed il desossiribosio, con formazione di un
sito apurinico (AP). La depurinazione può avvenire
spontaneamente a seguito di idrolisi oppure essere
indotta da mutageni.
•Deaminazione: rimozione di un gruppo amminico
da una base del DNA.
•Intercalazione: inserimento di un agente
intercalante tra due coppie successive di base, con
conseguente alterazione della struttura a doppia
elica del DNA (acridine e bromuro d’etidio).
Mutation
• UV radiation
causes thymine
dimers
• Light-repair
separates
thymine dimers
Figure 8.20
Spontaneous and induced mutations:
Induced mutations
Radiation (e.g., X-rays, UV)
Ionizing radiation breaks covalent bonds including those in DNA and is
the leading cause of chromosome mutations.
Ionizing radiation has a cumulative effect and kills cells at high doses.
UV (254-260 nm) causes purines and pyrimidines to form abnormal
dimer bonds and bulges in the DNA strands.
Thymine dimers induced by UV light.
Mutagenic effects of 5bromouracil
Mutagenic effects of
5-bromouracil
Base-modifying agents
Base-modifying agents
Induced mutations: chemical
mutagens
Intercalating agents:
•
Thin, plate-like hydrophobic
molecules insert themselves
between adjacent base-pairs,
•
Mutagenic intercalating agents
cause insertions during DNA
replication.
•
Loss of intercalating agent can
result in deletion.
•
Examples: acridine, proflavin,
ethidium bromide
Deamination
Mutazioni Geniche
• Transizione: Un tipo di sostituzione di coppia
nucleotidica che implica la sostituzione di una
purina con un’altra purina o di una pirimidina con
un’altra pirimidina; per esempio GC AT.
• Trasversione: Un tipo di sostituzione di coppia
nucleotidica che comporta la sostituzione di una
purina con una pirimidina o viceversa; per
esempio GC TA.
Mutation caused by mismatch wobble base pairing.
MUTAGENI CHIMICI
• Molte sostanze chimiche, di per se’ non
mutageni, lo diventano dopo attivazione
metabolica, subita sia nel corso dei processi
di assimilazione digestiva sia per opera di
organi, quale il fegato, deputati al loro
metabolismo. Nel valutare l’effetto mutageno
di una sostanza chimica, occorre quindi
verificare che la sostanza non sia mutagena
neppure dopo attivazione metabolica.
Ames test
RIPARAZIONE DEI DANNI AL DNA
Mutazione genica
• Mutazione silente: è conseguente alla sostituzione di una coppia
di basi, che, pur cambiando la sequenza di un codone, non ne
modifica il significato
• Missense:(di senso errato) è una mutazione nella quale la
sostituzione di una coppia di basi cambia la sequenza di un
codone, modificandone il significato
• Nonsense: è dovuta alla sostituzione di una coppia di basi del
DNA che da luogo alla formazione di una tripletta che non
codifica per alcun amminoacido (tripletta di stop)
• Mutazione di allungamento: si origina quando una tripletta non
senso presente nel gene selvatico, a seguito di una sostituzione
di base, diventa una tripletta “senso”, vale a dire una tripletta
che codifica per un amminoacido
• Frameshift: consiste in una inserzione o delezione di basi
Base substitution (point mutation)
• Missense mutation - Change in one base result in
change in amino acid
Base substitution (point mutation)
• Nonsense mutation - Change in one base
results in a nonsense codon
Mutation – deletion and insertion
• Frameshift mutation - Insertion or deletion of one
or more nucleotide pairs
MUTAZIONI GENICHE
Mutazioni per amplificazione
• In zone non tradotte (malattie da triplette di
tipo 1). Si ripete CAG che allunga i tratti
poliglutammici delle pt. Associate a malattie
neurodegenerative (atrofia muscolare spino
bulbare).
• In zone fuori dal tratto non tradotto (malattie
da triplette di tipo 2) con amplificazioni molto
più ampie.Es. sindrome dell’ X fragile (ritardo
mentale) ; distrofia miotonica (distrofia
muscolare, miotonia, aritmie).
Sindrome dell’X-Fragile
La malattia è dovuta alla mutazione di un gene situato sul
cromosoma X. L’alterazione responsabile della sindrome è
l’espansione di una sequenza ripetuta di tre basi
nucleotidiche (CGG).
Nelle persone normali questa tripletta è ripetuta un numero
variabile di volte da 6 a 55. Nelle persone affette il numero di
ripetizioni CGG supera le 200.
Il primo segno della malattia è il ritardo nello sviluppo
psicomotorio, in particolare nell’apprendimento del
linguaggio.
Le persone affette da FraX hanno tratti somatici tipici: viso
allungato,mandibola prominente, nei maschi, ingrossamento
dei testicoli (macrorchidismo), si possono avere anche,
iperestensibilità delle articolazioni, piede piatto e il prolasso
della valvola mitrale
Sindrome dell’ X fragile
• Una parte del cromatide è
attaccato al cromosoma da un
sottile filo di DNA: sito fragile
• La posizione dei siti fragili è
conservata nelle cellule di un
individuo e di una famiglia
• Nell’ X fragile la tripletta CGG è
ripetuta da 200 a 1000 volte (50
nell’ X normale)
• La sindrome, più evidente nei
maschi comporta ritardo
mentale
• E’ alterata la funzionalità di un
gene che codifica per la
Proteina del Ritardo Mentale da
X Fragile (FMRP)
Delezione
Queste mutazioni cromosomiche sono
sbilanciate, perchè determinano una perdita
d’informazione genetica e, come tali, sono
generalmente molto gravi o letali.
Naturalmente, le conseguenze cliniche
dipendono dall’entità del tratto perduto e dai
geni in esso presenti
Compensation Loop in a
Polytene Chromosome
Sindrome del CRI DU CHAT
La sindrome del cri du chat è una malattia cromosomica
dovuta alla perdita (delezione) di una parte del braccio
corto del cromosoma 5.
Il nome deriva dal caratteristico suono, simile ad un
miagolio, che emettono i neonati affetti da questa
malattia nel piangere.
I bambini affetti presentano generalmente basso peso
alla nascita, volto tondo, fronte sporgente, mandibola
piccola e retratta, ritardo mentale, microcefalia.
INVERSIONE
• Sono anomalie che interessano un solo
cromosoma; insorgono quando in
seguito a due rotture, il segmento
compreso tra i due punti di rottura si
reinserisce nello stesso cromosoma
dopo rotazione di 1800. Se l’inversione
comprende il centromero è detta
pericentrica, se non lo comprende è
detta paracentrica.
TRASLOCAZIONE
• Consiste nello scambio di parti tra
cromosomi non omologhi
Traslocazione Robertsoniana
Questa traslocazione coinvolge due
cromosomi acrocentrici e i punti di
rottura avvengono nei due
cromosomi a livello della regione
centromerica, ma sul lato opposto
rispetto al centromero
Sindrome 18-p
Consiste nella delezione del braccio corto del
cromosoma 18. Il ritardo mentale, di vario grado,
è una caratteristica molto frequente, così come i
problemi di linguaggio. I bambini sono spesso
più bassi della media, alterazioni dei padiglioni
oculari, ritardo mentale.
CARIOTIPO
•
•
•
•
Euploide: numero normale di Ch.
Diploide:2n Ch nelle cellule somatiche (46)
Aploide: n Ch nelle cellule germinali (23)
Poliploide: aumento numerico del corredo di Ch
(3n,4n ecc.). La poliploidia nel feto causa aborto,
avviene nella rigenerazione e nei tumori.
• Aneuploide: Ch multipli imperfetti di n (23)
(Down 47, Turner 45)
ALTRE ANEUPLOIDIE DEI Ch SESSUALI
• 47,XYY:♂ alta statura, aggressività,
basso QI
• 47,XXX: fenotipicamente silente
• 48,XXXX: ritardo mentale ± grave
• 49,XXXXX: grave ritardo mentale,
anomalie somatiche
• 48, XXYY, 48,XXXY, 49,XXXYY,
49,XXXXY sono varianti di Klinefelter
Sindrome di Down
La sindrome di Down è causata dalla presenza
di un cromosoma 21 in più, si parla infatti del
trisomia del 21. I caratteri fisici delle persone
affette dalla sidrome sono: occhi a mandorle,
naso corto, la bocca spesso aperta con lingua
tozza e spesso protrudente, le dita tozze, ritardo
mentale, difetti cardiaci e un parziale deficit delle
difese immunitarie.
Sindrome di Edwards
Detta anche trisomia 18 perché è causata dalla
presenza di 3 copie del cromosoma 18, anziché di 2
copie.
Il numero totale di cromosomi è quindi 47 e non 46.
I bambini affetti presentano grave ritardo di crescita,
grave ritardo mentale, malformazioni multiple: occipite
prominente, alterazione degli arti, cardiopatia, anomalie
renali
TRISOMIE AUTOSOMICHE
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•
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•
•
Trisomia 13 (Sindrome di Patau)
(Incidenza 1:15000)
Simile alla sindrome di Down
80% di mortalità nel primo anno di vita
Gravi malformazioni facciali
Grave ritardo mentale
Difetti del setto ventricolare
Labbro leporino e palatoschisi
MALATTIE GENETICHE
• Malattie cromosomiche: Aneuploidie (±Ch).
Lesioni visibili al microscopio.
• Malattie monogeniche: Trasmesse con
meccanismo Mendeliano.
• Malattie multifattoriali: Causate da interazioni
fra diversi fattori genetici ed ambientali.
• Malattie legate ad eredità mitocondriale:si
trasmettono solo in linea femminile.
DUPLICAZIONE
• Mutazione cromosomica con raddoppio di un
tratto di Ch.
• Importante nello sviluppo di famiglie geniche
(es. Globina).
• Tratti duplicati vicini (tandem) o distanti.
• Conseguenze legate all’ eccesso di materiale
genico e alla difficoltà di appaiamento degli
omologhi (es. Neuropatia demielinizzante da
duplicazione del gene PM22)
CLONAZIONE
• CLONARE un embrione significa sostituire il
nucleo di un ovulo con il nucleo della cellula
adulta della persona di cui si vuole produrre
una fotocopia genetica
• CLONAZIONE TERAPEUTICA: per ottenere da
una blastocisti cellule con lo stesso
patrimonio genetico dell’individuo in cui
impiantarla
• CLONAZIONE RIPRODUTTIVA: proibita
La storia
della pecora
Dolly
Cos’è una
Cellula Staminale
E’ una cellula non specializzata capace di
dividersi e di dare origine a cellule dei diversi
tessuti adulti. Le distinguiamo in:
• EMBRIONALI, sono totipotenti, possono dare
origine a qualsiasi tipo di cellula;
• FETALI, sono pluripotenti, possono dare
origine solo ad alcuni tipi di cellule;
• PLACENTARI, sono pluripotenti, prelevate dal
sangue del cordone ombelicale o dalla
placenta;
• ADULTE, sono pluripotenti ed ematopoietiche.
Cellule staminali
Sono dotate di capacità di autorinnovamento
Sono in grado di differenziare dando luogo a uno o più
tipi di cellule mature
Le cellule staminali embrionali derivano da blastocisti
(stadio precoce pre-impianto) e sono toti- o pluri-potenti
Le cellule staminali adulte o somatiche derivano da
tessuti adulti e sono pluri- o multi-potenti
Entrambi i tipi di cellule possono essere coltivati in vitro
e indotti a differenziare
Cellule totipotenti, pluripotenti,
multipotenti, unipotenti
Le cellule staminali
I compartimenti di cellule staminali e differenziate nella
proliferazione delle cellule epiteliali intestinali
Il differenziamento non è un processo
esclusivamente embrionale
DIABETE
• Un nuovo studio sulle cellule staminali sta aprendo nuove
prospettive anche per il trattamento del diabete. E' stata messa a
punto ed è già in fase di sperimentazione una terapia con cellule
staminali che ha permesso agli ammalati di diabete di evitare le
quotidiane iniezioni di insulina. Il loro organismo, infatti, trattato
con le staminali ha di nuovo imparato, per così dire, a produrre
l'ormone in modo naturale e autonomo.
RIPARAZIONE DI TENDINI E
ARTICOLAZIONI
• Staminali estratte dal grasso superfluo per riparare
danni ai tendini e alle articolazioni. E' la nuova
frontiera sperimentata dai ricercatori dell'università
di Oslo (Norvegia), che hanno individuato un
meccanismo utile a selezionare le cellule più 'adatte'
a essere riprogrammate come 'cura' per queste
lesioni. Secondo gli esperti, infatti, per una staminale
adulta, prelevata dal grasso aspirato via con la
liposuzione, le probabilità di essere riutilizzata con
successo dipendono dall'abbassamento dei livelli di
metilazione, cioè della regolazione dei geni del Dna.
Terapia Genica
Terapia genica
Insieme di procedimenti atti a curare o ad
alleviare una malattia modificando
geneticamente le cellule dei pazienti.
Vantaggi teorici della terapia genica
• Correzione radicale dei difetti
• Possibilità di agire su meccanismi molecolari per i quali risulta
estremamente difficile sviluppare farmaci specifici
• Vantaggi economici (se fosse permanente eviterebbe la
necessità di trattamenti ripetuti)
Limitazioni della terapia genica
•Rischio troppo elevato in presenza di terapie alternative
• Mancanza di efficacia dovuta a problemi tecnici (inefficiente
trasferimento genico, inattivazione del gene terapeutico)
• Costi elevati
• Alto rischio di effetti indesiderati (espressione non regolata,
mutagenesi inserzionale, passaggio delle modifiche alla linea
germinale)
Attuali problemi tecnici della terapia
genica
• Efficienza di trasferimento genico
• Selettività del sistema di trasferimento
• Espressione instabile nel tempo
• Espressione non regolata
• Reazioni del sistema immunitario
•Possibili interferenze con il genoma (mutagenesi inserzionale)
• Problemi etici
Quando si può pensare di curare una malattia con la
terapia genica allo stato attuale?
• Malattia pericolosa per la vita, ma dagli effetti potenzialmente
reversibili.
• Gene clonato.
• Disponibile sistema di trasferimento genico efficiente per le
cellule affette, che garantisca espressione stabile nel tempo.
• Non richiesta regolazione precisa del gene in questione.
Perché qualcuno sta pensando seriamente
alla clonazione umana?
Cellula somatica
normale
Cellule
somatiche paziente
Cellule totipotenti sane
istocompatibili
Ovocita