MUTAZIONI
1
Mutazione
Qualsiasi cambiamento PERMANENTE nella sequenza nucleotidica
del
genoma
di
un
organismo,
o
del
materiale
genetico
extracromosomico (es. plasmidi, DNA mitocondriale)
E’ un evento RARO
La mutazione è CASUALE e genera delle innovazioni che possono
essere utili o dannose
2
Mutazioni e selezione
Dal punto di vista selettivo una mutazione può risultare:
Vantaggiosa
l’organismo che la porta ha una “fitness”
(capacità riproduttiva) maggiore
Svantaggiosa
l’organismo che la porta ha una fitness minore
Neutra
non influenza la fitness di chi la porta
4
Mutazioni e selezione
L’effetto
delle
mutazioni
va
sempre
correlato all’ambiente in cui l’organismo si
trova: una data mutazione può rivelarsi
svantaggiosa (o neutra) in un dato ambiente,
vantaggiosa in un altro.
5
Melanismo industriale e selezione naturale
Prima della rivoluzione industriale
uno strato di licheni di colore grigio
chiaro ricopriva i tronchi degli alberi
in gran parte dell’Inghilterra. Molte
specie di insetti tra cui le falene
(Biston betularia), vivevano sui
licheni ben mimetizzate alla vista dei
predatori.
In seguito alla industrializzazione
molti dei licheni scomparvero per
inquinamento ambientale, ed alberi e
rocce annerirono a causa dei fumi
inquinanti.
6
Melanismo industriale e selezione naturale
Le falene maculate che a maggioranza
popolavano le campagne inglesi
vennero così a trovarsi completamente
esposte allo sfondo scuro dei tronchi.
Nel 1948 la percentuale di individui
scuri di falena cominciò ad aumentare
nei sobborghi cittadini fino ad arrivare
al 98% nei sobborghi di Manchester, ed
il fenomeno fu definito “melanismo
industriale”. L’apparire delle falene
melanizzate era dovuto ad una
mutazione spontanea in un gene,
seguito dalla selezione naturale in un
ambiente in cui il mancato mimetismo
sfavoriva la sopravvivenza delle falene
maculate a causa di uccelli predatori.
7
Esistono centinaia di diverse emoglobine mutanti in tutta la popolazione
umana. Molte di queste forme mutanti sono dannose e danno origine a forme
patologiche. Altre sono "neutre" e non sembra arrechino ai portatori nè
vantaggi ne svantaggi.
8
Mutazioni e selezione
Mutazione anemia falciforme (sostituzione Glu-Val in catena b
dell’emoglobina) vantaggiosa o svantaggiosa?
9
Fenotipo degli omozigoti per la mutazione bS
(anemia falciforme)
un gene mutato, molti sintomi
Un unica sostituzione aminoacidica
nell’emoglobina
Dolore, ulcere alle gambe, danni a ossa, polmoni, reni, occhi, calcoli
biliari, ittero, anemia, ritardo di crescita
Gli omozigoti SS non si riproducono a causa della grave malattia
genetica; in omozigosi è sicuramente svantaggiosa in qualsiasi
10
ambiente.
Mutazione bS e malaria
Omozigote selvatico
Wt/Wt
Portatore sano
Wt/bS
neutro
neutro
svantaggio
Ambiente NON
malarico
svantaggio
vantaggio
svantaggio
Ambiente
malarico
Affetto bS/bS
11
Selezione a favore dell’eterozigote
In zone malariche i portatori (eterozigoti per la mutazione bS)
sono avvantaggiati rispetto agli omozigoti selvatici. In ambiente
non malarico i portatori e gli omozigoti per l’allele selvatico
hanno la stessa fitness.
La resistenza alla malaria degli eterozigoti è dovuta al fatto che il
Plasmodio non riesce a completare il suo ciclo nei loro globuli rossi,
a vita breve
12
Il vantaggio dell’eterozigote nelle regioni malariche
Alcune varianti alleliche del gene b (la variante bS in Africa, le varianti
bThal nel Mediterraneo) di per sé dannose, hanno frequenze elevate in
regioni malariche (o ex malariche).
L’alta frequenza (fino al 30%) dell’allele S o dell’allele bThal nelle
regioni malariche, è dovuta al fatto che l’eterozigote, a differenza
dell’omozigote sano (che possiede due alleli b normali), non si ammala
di malaria quindi ha > probabilità di riprodursi trasmettendo i suoi geni
(quindi anche l’allele S o bThal) alla progenie rispetto al wild type
13
Mutazioni germinali e somatiche
Per quanto riguarda la sede della mutazione è necessario
distinguere:
a) mutazioni germinali che colpiscono i gameti e possono essere
trasmesse alla prole. L’individuo ha una mutazione solo nei gameti,
mentre a livello somatico le sue cellule sono normali
14
Mosaicismo
Coesistenza di 2 o + linee cellulari geneticamente distinte nello stesso
individuo
Mutazione che interviene in una cellula dello zigote o dell’embrione
Tutte le cellule che originano da questa cellula porteranno la mutazione
Se cellule che portano la mutazione sono progenitrici dei gameti la
mutazione resterà confinata alla linea germinale
Oppure le cellule portatrici di mutazione sono cellule della linea
somatica
15
Mutazioni germinali e somatiche
b) mutazioni somatiche che colpiscono le cellule somatiche e si
esauriscono nell’individuo. La mutazione viene trasmessa attraverso
la mitosi alla progenie della cellula colpita in origine = l’individuo
sarà un mosaico
17
Mosaicismo somatico
18
Mosaicismo somatico e cancro
Mutazioni che colpiscono geni coinvolti nel controllo del
processo di divisione cellulare possono portare a una
sregolazione della replicazione cellulare stessa
19
Estensione della mutazione
Può essere minima, riguardare cioè una singola o poche coppie di
basi nel DNA
MUTAZIONE PUNTIFORME
oppure implicare regioni piu’ estese dentro un gene (es delezione
parziale o totale di un gene)
MUTAZIONE GENICA
fino anche a grosse porzioni del genoma
MUTAZIONE CROMOSOMICA
20
Mutazioni cromosomiche
-
anomalie di numero
POLIPLOIDIE
conseguenza di anomalie nella
fecondazione
ANEUPLOIDIE
conseguenza di errori di segregazione
dei cromosomi durante la formazione
dei gameti
21
Poliploidia
presenza di un numero di cromosomi corrispondente a un multiplo del
corredo aploide (n)
22
Poliploidia
presenza di un numero di cromosomi corrispondente a un multiplo del
corredo aploide (n). Es: triploidia 3n
Origine della triploidia: difetto di fertilizzazione
uovo aploide fecondato da due spermatozoi aploidi
fecondazione tra gamete diploide e gamete aploide
23
Nelle piante è possibile indurre la poliploidia usando
determinate sostanze chimiche
colchicina
Non disgiunzione meiotica
Gameti diploidi
24
La poliploidia è comune nelle felci, nelle piante da fiore, nel
frumento, sia in natura che nelle varietà selezionate dall’uomo
25
La poliploidia è rara negli animali, nei
mammiferi è sempre incompatibile con la vita
26
Aneuploidia
Aneuploidia: presenza di cromosomi in più o in meno rispetto
al corredo diploide (2n+1, 2n-1…)
27
Effetto aneuploidie
2n - 1
omologhi
2n
2n + 1
omologhi
Diminuisce o aumenta la quantità di mRNA e quindi di proteine
sintetizzate (vale per tutti i geni localizzati sul cromosoma
interessato )
Sbilanciamento del dosaggio genico
28
Mutazioni cromosomiche
- anomalie di struttura
conseguenza di rotture cromosomiche
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Mutazioni conseguenze (1)
Un’alta % del nostro genoma contiene regioni non codificanti
(regioni intergeniche, introni...)
Le mutazioni che riguardano queste regioni non hanno di solito
alcuna particolare conseguenza sul fenotipo, sono quindi
selettivamente neutre
31
Negli eucarioti i singoli geni sono separati da lunghissime
sequenze intergeniche
Gene 1
Gene 2
Gene 3
mutazione
32
Queste mutazioni sono selettivamente neutre,
determinano la variabilità genetica individuale
polimorfismi del DNA
(SNP, STR…)
Identificazione
individuale
(medicina forense,
paternità)
I polimorfismi rappresentano delle varianti fenotipicamente
invisibili che hanno l’utilità di marcare molecolarmente la
variabilità fra individuo e individuo.
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Polimorfismi del DNA esempio:
SNP Single Nucleotide Polymorphism
Variazioni che riguardano il singolo nucleotide
Non hanno effetto sul fenotipo
34
Polimorfismi del DNA esempio: Microsatelliti (o Short Tandem Repeats)
sequenze ripetute di DNA non codificante costituiti da unità di ripetizione
molto corte (1-5 bp). Per un determinato microsatellite possono esistere
numerosi alleli diversi, che differiscono tra loro per il numero di ripetizioni
Alleli
A
B
C
Trinucleotide repeat CTT
Gli alleli differiscono per il numero delle ripetizioni CTT
35
Poiché il numero di varianti alleliche (numero di ripetizioni) al singolo locus
(microsatellite) presenti nella popolazione è elevato, è probabile che individui
diversi abbiano genotipi diversi (allele1/allele2)
6/8
7/8
8/8
8/9
7/9
8/8
36
Applicazioni in medicina legale
L’analisi contemporanea di tanti polimorfismi permette di identificare un
singolo individuo in modo pressochè univoco
polimorfismo A
polimorfismo B
Genotipo individuo sospetto 1 al locus A: A2/A4 , al locus B: B3/B7
Genotipo individuo sospetto 2 al locus A: A2/A5, al locus B: B4/B4
Genotipo tracce biologiche sul luogo del delitto: A2/A5 B4/B4
37
Mutazioni intrageniche
promotore
Gene
mutazione mutazione
Una mutazione che cade in sequenze regolatrici potrebbe alterare
il legame coi fattori di trascrizione, influendo sul
livello di trascrizione del gene (quantità di mRNA)
38
Mutazioni intrageniche
Esone
introne
Esone
introne
Esone
splicing
mutazione
Mutazioni che avvengono nelle sequenze introniche di solito non hanno
effetto sul fenotipo, a meno che non cadano in particolari sequenze
localizzate ai confini tra esone e introne
mutazioni di splicing
39
Intron retention
Exon skipping
40
Mutazioni intrageniche
Esone
introne
Esone
introne
Esone
splicing
mutazione
42
Mutazioni conseguenze (2)
Le mutazioni che riguardano porzioni codificanti di geni
(ESONI) di solito hanno delle conseguenze fenotipiche perché
possono comportare cambiamenti nella sequenza aminoacidica
codificata.
Es: SOSTITUZIONI DI SINGOLE BASI
MUTAZIONE MISSENSO GAAGAT (glu-asp)
MUTAZIONE NONSENSO GAGTAG (glu-stop)
N.B. spesso però una mutazione riguardante la terza base di un
codone non ne cambia il significato (ridondanza codice genetico):
MUTAZIONE SINONIMA (NEUTRA): GAAGAG (glu-glu)
43
nonsenso
GAGTAG (glu-stop)
sinonima GAAGAG
missenso
GAAGAT (glu-asp)
44
Mutazioni in sequenza codificante e conseguenze sulla
traduzione: mutazione missenso
45
Effetto di una mutazione missenso
La mutazione potrà inserire un aminoacido con le stesse
caratteristiche chimiche (ingombro sterico, carica elettrica) di
quello originario. In questo caso gli effetti sulla proteina saranno
minimi.
La sostituzione con un aminoacido con caratteristiche chimiche
diverse produrrà invece un cambiamento nella struttura della
proteina e di conseguenza della sua funzione
46
Esempio di mutazione missenso
Anemia falciforme: mutazione missenso nel gene bglobina. L’acido
glutammico in posizione 6 (carico negativamente) viene sostituito
da valina (idrofobico)
47
Esempio di mutazione missenso
La valina in posizione 6 interagisce con una valina di un’ altra molecola
di emoglobina, formando aggregati molecolari che precipitano nel
globulo rosso
48
Mutazioni in sequenza codificante e conseguenze sulla
traduzione: mutazione nonsenso
Una mutazione nonsenso porterà alla sintesi di una proteina tronca
49
Mutazioni conseguenze (3)
Mutazioni
in
sequenze
INSERZIONE/DELEZIONE
codificanti
che
comportano
di basi (in n° ≠ 3) causano
slittamento della cornice di lettura e hanno sempre conseguenze
fenotipiche (di solito svantaggiose):
proteina diversa e terminazione prematura.
Sono dette MUTAZIONI FRAMESHIFT
50
Mutazioni “frameshift”
Viene alterata la lettura di tutti i codoni a valle dell’inserzione /delezione
Delezione di 3nt non provoca frameshift
51
Antigeni di superficie: il gruppo sanguigno AB0
Gli alleli A e B codificano per due glicosiltransferasi con diversa
specificità
L’allele 0 codifica per una forma inattiva di glicosiltransferasi
52
Esempio mutazione frameshift
Delezione di singolo nucleotide nell’ allele 0 del locus AB0
provoca cambiamento del modulo di lettura dal codone 86 e
terminazione prematura 30 aa dopo. La glicosiltransferasi
codificata dall’allele 0 è inattiva.
53
Esempio di delezione di 3 nucleotidi
Fibrosi Cistica: delezione di un codone nel gene CFTR che
porta alla sintesi di un polipeptide mancante di un aminoacido
54
MUTAZIONICAUSE
SPONTANEA
insorge in assenza di agenti mutageni esterni ed è prodotta da errori
nei processi di ricombinazione, replicazione e/o riparazione del
DNA
INDOTTA
da agenti mutageni chimici o fisici
55
Mutazione da errore di ricombinazione:
crossing over ineguale
56
Mutazione da errore di replicazione
Il processo di replicazione del DNA rappresenta la principale fonte di
mutazioni. Tutti gli organismi possiedono due meccanismi fondamentali di
salvaguardia della fedeltà dell’informazione molecolare:
Correzione di bozze (corregge gli errori di appaiamento commessi dalla
DNA polimerasi mentre la replicazione è in corso)
C G T GAACTG
G CAT
C G T GAACTG
GCA CTT . . .
T
Riparazione
degli appaiamenti errati dopo replicazione del DNA
57
Mutazioni indotte da agenti mutageni
Il tasso naturale di mutazione del DNA viene
incrementato dall’interazione ambientale con agenti
chimici e fisici
MUTAGENI
58
Mutageni chimici
Esistono
varie
sostanze
chimiche
che interagiscono con il DNA modificando e/o
danneggiando le basi azotate e causano appaiamenti
errati
59
Mutageni chimici
I mutageni chimici possono causare sostituzioni di nucleotidi
esempio: aflatossina B1
Micotossina presente in alcune muffe. In condizioni ambientali
favorevoli
le
spore
degli
Aspergillus
germinano
e
successivamente colonizzano svariate tipologie di alimenti, quali
mais, arachidi ed altri semi oleosi.
60
Mutageni chimici
I mutageni chimici possono causare inserzioni o delezioni di
nucleotide
Esempio: benzopirene
nel fumo di sigaretta, nello scarico dei motori Diesel, nella
carbonizzazione dei cibi…
61
Fumo, cancro e riparazione del DNA
La capacità di riparare i danni al DNA arrecati dal
fumo (ossidazione delle guanine) dipende dall’
enzima OGG (8-oxoguanine DNA N-glycosylase).
Esiste una variabilità individuale nella produzione
dell’enzima.
La variante allelica 326 Ser del gene hOGG1 ha
un’attività enzimatica maggiore della variante 326
Cys.
I fumatori non hanno tutti lo stesso rischio di
cancro: chi ha bassa attività di OGG ha un rischio
decisamente maggiore (30-120 volte) di chi, a
parità di n° sigarette fumate, ha naturalmente alti
livelli di OGG
Il danno finale è il risultato di due fattori di rischio indipendenti:
Il fumo + la ridotta capacità di riparare le guanine modificate 62
Mutageni fisici
Radiazioni UV a bassa energia, poco penetranti
Radiazioni ionizzanti (raggi X, raggi a, b, g), ad alta
energia, altamente penetranti
63
Meccanismo di mutagenicità UV
Il danno è localizzato a livello superficiale
(pelle)
Inducono la formazione di dimeri di timina
(formazione di legame covalente tra due T
adiacenti sullo stesso filamento)
Per ogni secondo di esposizione al sole si producono 50-100
dimeri in ogni cellula della pelle di cui il 2% cadono in coding
sequences
64
Meccanismo di mutagenicità radiazioni
ionizzanti
A causa della loro alta energia hanno un forte potere
penetrante
Trasferiscono energia alle molecole biologiche con cui
collidono (DNA, lipidi, proteine) modificandole e
danneggiandole
65
Danni al DNA da radiazioni ionizzanti
a
a)
Rottura di singolo
filamento
b)
Rottura del doppio
filamento
c)
Modificazione
chimica delle basi
d)
Rimozione di
singole basi
b
c
d
66
Modalità esame
Scritto
30 domande a risposta multipla (sul sito è
pubblicato un compito come esempio)
2 appelli (è possibile iscriversi anche al
secondo se non si supera il primo, o se si vuole
migliorare il voto)
67
