Biologia - Dispensa lezione 4 (seconda parte)
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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 29 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. 33 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
