mutazioni - tandem | univr

Lezione 8
Mutazioni
1
Mutazione
Qualsiasi cambiamento PERMANENTE nella sequenza nucleotidica
del genoma di un organismo, o del suo 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 1
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
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Mutazioni e selezione 2
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
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Varianti dell’emoglobina
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 ne’
vantaggi ne’ svantaggi.
5
Mutazioni e selezione 3
Mutazione anemia falciforme:
sostituzione Glu-Val in catena b dell’emoglobina (emoglobina
bS) vantaggiosa o svantaggiosa?
6
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
7
ambiente.
Mutazione bS e malaria
Affetto bS/bS
Omozigote selvatico
Wt/Wt
Portatore sano
Wt/bS
neutro
neutro
svantaggio
Ambiente NON
malarico
leggero
svantaggio
leggero
vantaggio
svantaggio
Ambiente
malarico
8
Selezione a favore dell’eterozigote
In ambiente non malarico i portatori (eterozigoti per la mutazione bS)
e gli omozigoti per l’allele selvatico hanno la stessa fitness. In zone
malariche i portatori sono avvantaggiati rispetto agli omozigoti
selvatici.
La resistenza alla malaria degli eterozigoti è dovuta al fatto che il
Plasmodio non riesce a completare il suo ciclo nei loro globuli rossi di
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eterozigoti wt/ bS, che hanno vita più breve del normale
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.
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Mutazioni germinali
Per quanto riguarda la sede della mutazione è necessario distinguere:
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
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Mutazioni somatiche
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
12
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
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Mosaicismo somatico
14
Mosaicismo somatico e cancro
Mutazioni che colpiscono geni coinvolti nel controllo del processo di
divisione cellulare possono portare a una sregolazione della
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replicazione cellulare stessa
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
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Mutazioni cromosomiche
-
anomalie di numero
POLIPLOIDIE
ANEUPLOIDIE
17
Poliploidia 1
presenza di un numero di cromosomi corrispondente a un multiplo del corredo
aploide (n)
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Poliploidia 2
Conseguenza di anomalie nella fecondazione
La triploidia origina da un difetto di fertilizzazione
* uovo aploide fecondato da due spermatozoi aploidi
* fecondazione tra gamete diploide e gamete aploide
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Nelle piante è possibile indurre la poliploidia usando
determinate sostanze chimiche
colchicina
Pianta 2n
Trattamento con colchicina
Gameti diploidi
Non disgiunzione meiotica
Gameti diploidi
Pianta 4n
20
La poliploidia è comune nelle felci, nelle piante da fiore,
nel frumento, sia in natura che nelle varietà selezionate
dall’uomo
21
22
Le banane che mangiamo tutti i giorni sono triploidi (3N)
* derivano dall’incrocio tra una banana 2N (che produce gameti
1N) e una 4N (che produce gameti 2N).
2
4n
2
2
2
* Le banane 3N non riescono a produrre gameti bilanciati e
risultano sterili e prive di semi…
23
Vulnerabilità dei cloni
* …vengono riprodotte dai coltivatori per talea, quindi sono
tutte cloni!
* La bassa variabilità genetica determina una elevata
vulnerabilità ai patogeni.
* In passato era diffusa la varietà Gros Michel, che venne
spazzata via alla metà degli anni ‘50 dalla malattia di
Panama (un’infezione fungina)
* La varietà diffusa oggi è la Cavendish (il 40% della
produzione mondiale) che resiste meglio alla malattia di
Panama, ma…
24
Poliploidia negli animali
La poliploidia è rara negli animali, in genere si osserva negli
invertebrati. Nei mammiferi è sempre incompatibile con la vita
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Aneuploidia
Aneuploidia: presenza di cromosomi in più o in meno rispetto al corredo
diploide (2n+1, 2n-1…). Conseguenza di errori di segregazione dei
cromosomi durante la formazione dei gameti
26
Dopo fecondazione con gamete normale
2n+1
2n-1
2n
27
si formeranno embrioni
2n+1
2n-1
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
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Mutazioni cromosomiche
- anomalie di struttura
conseguenza di rotture cromosomiche
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Mutazione
Può essere minima, riguardare cioè una singola o poche coppie di basi
nel DNA
 MUTAZIONE PUNTIFORME
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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.
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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, test di
paternità…)
I polimorfismi rappresentano delle varianti fenotipicamente
invisibili che possiamo utilizzare per marcare molecolarmente la
variabilità fra individuo e individuo.
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SNP (Single Nucleotide Polymorphism)
Variazioni che riguardano il singolo nucleotide (2 alleli)
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STR (Short Tandem Repeats)
Sequenze ripetute di DNA non codificante costituiti da unità di ripetizione molto
corte (1-5 bp). Per un determinato polimorfismo possono esistere numerosi alleli
diversi, che differiscono tra loro per il numero di ripetizioni
Allele
1
2
3
Gli alleli differiscono per il numero delle ripetizioni GATA
35
Poiché il numero di alleli presenti nella popolazione è elevato, è
molto probabile che individui diversi
abbiano genotipi diversi
(allele1/allele2)
4/8
7/8
8/9
5/9
6/8
8/8
Applicazioni in medicina legale
L’analisi contemporanea di tanti polimorfismi permette di identificare un
singolo individuo in modo pressoché 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
Applicazioni in medicina legale
Nelle indagini forensi è largamente utilizzata l’analisi delle impronte genetiche:
* per identificare i sospettati di crimini
* nei test di paternità
* nell’identificazione di vittime delle catastrofi
* nell’elaborazione di alberi genealogici
* nella ricerca di persone scomparse
* nelle indagini su personaggi storici (ad esempio, l’ultimo Zar di Russia e la
sua famiglia)
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Mutazioni intrageniche 1
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)
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Mutazioni intrageniche 2
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
40
mutazione
La mutazione colpisce una sequenza consenso dello splicing
(GT/AG): l’eliminazione degli introni non può avvenire
correttamente e la sequenza della proteina risulterà alterata
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Mutazioni intrageniche 3
Esone
introne
Esone
splicing
mutazione
42
introne
Esone
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 GAAGAT (glu-asp)
MUTAZIONE NONSENSO GAGTAG (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): GAAGAG (glu-glu)
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nonsenso
GAGTAG (glu-stop)
sinonima GAAGAG
missenso
GAAGAT (glu-asp)
44
Mutazione missenso: conseguenze sulla traduzione
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
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Esempio di mutazione missenso
Anemia falciforme: mutazione missenso nel gene bglobina. L’acido
glutammico in posizione 6 (carico negativamente) viene sostituito
da valina (idrofobico)
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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
Mutazione nonsenso: conseguenze sulla traduzione
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):
terminazione prematura.
Sono dette MUTAZIONI FRAMESHIFT
50
proteina
diversa
e
Mutazioni “frameshift”
Viene alterata la lettura di tutti i codoni a valle dell’inserzione /delezione
Delezione o inserzione di di 3nt (o multipli di 3) non provoca frameshift
51
Alleli al 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
L’allele 0 è una 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 (STOP codon). La
glicosiltransferasi codificata dall’allele 0 è inattiva.
53
Esempio di delezione di 3 nucleotidi
Fibrosi Cistica: delezione di un codone nel gene CFTR (canale del
cloro) che porta alla sintesi di un polipeptide mancante di un
aminoacido
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Mutazioni: cause
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
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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
GCA CTT . . .
C G T GAACTG
G CAT
T
* Riparazione degli appaiamenti errati dopo replicazione del DNA
56
Mutazioni indotte da agenti mutageni
Il tasso naturale di mutazione del DNA viene
incrementato dall’interazione ambientale con agenti
chimici e fisici
 MUTAGENI
57
Mutageni chimici 1
Esistono
varie
sostanze
chimiche
che interagiscono con il DNA modificando e/o
danneggiando
le
basi
appaiamenti errati
58
azotate
e
causano
Mutageni chimici 2
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.
Le aflatossine sono tra le sostanze più cancerogene esistenti.
59
Mutageni chimici 3
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…
60
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 OGG1 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
Mutageni fisici
* Radiazioni UV a bassa energia, poco penetranti
* Radiazioni ionizzanti (raggi X, raggi a, b, g), ad alta
energia, altamente penetranti
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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
63
Riparazione del danno indotto da da UV
64
I processi di riparazione del DNA post replicativi
sono ESSENZIALI
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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)
danneggiandole
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modificandole
e
Danni al DNA da radiazioni ionizzanti
a) Rottura di singolo filamento
a
b) Rottura del doppio filamento
b
c) Modificazione chimica delle basi
c
d
d) Rimozione di singole basi
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Elementi radioattivi come il Radio e il Torio erano
considerati un beneficio per la salute nei primi anni del
‘900
Tho-Radia La crema viso era particolarmente popolare, la sua formulazione era la seguente:
0,5 g di Cloruro di Torio e 0.25mg Bromuro di Radio per 100g di prodotto.
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)
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