Mutazioni somatiche e germinali
Progenie
normale
Tessuto
somatico
Progenie
normale
Tessuto
germinale
Mutazione somatica
Clone cellulare
Mutazione germinale
mutante
Progenie
mutante
Popolazioni finali
Cloni cellulari
mutanti
Tempo
Eventi mutazionali
Mutazione tardiva
Popolazioni iniziali
Mutazione precoce
TASSO DI MUTAZIONE E FREQUENZA
DI MUTAZIONE
Il tasso di mutazione misura la frequenza con cui una mutazione si origina ex
novo in un’unità di tempo “biologico” (di solito una generazione)
La frequenza di mutazione misura la frequenza della mutazione in una
popolazione nel momento dell’osservazione
Il tasso di
mutazione è
di una nuova
mutazione
ogni 7
divisioni
cellulari
La frequenza
di mutazione
nella 4°
generazione è
di 2 mutanti
su 8 cellule
L’analisi dei mutanti nei batteri: il piastramento in replica
Terreno non
selettivo
Terreni
selettivi
Il test di fluttuazione sull’origine delle mutazioni
Numerosità iniziale in
ogni provetta:
105 batteri
Tasso di mutazione: 1 ogni 107
batteri per generazione
Frequenza attesa di
provette in cui la
mutazione è avvenuta
alla 4°generazione: 8
su 100
Frequenza attesa di
provette in cui la
mutazione è avvenuta
alla 2° generazione: 2
su 100
frequenza
attesa di
mutanti in
quelle provette
alla 5°
generazione: 8
Numerosità finale in
ogni provetta:
1,6x106 batteri
frequenza
attesa di
mutanti in
quelle provette
alla 5°
generazione: 2
Si è effettivamente
che al trattamento,
Dunque
le mutazioniverificato
preesistono
poche provette avevano molti
che mutanti
quindi non
le induce
ma elemolte
seleziona
(mutazioni
precoci)
soltanto:
le pochi
mutazioni
non
sono adattative
avevano
mutanti
(mutazioni
tardive)
Danno al DNA e sua riparazione:
origine delle mutazioni
H
H
ON H O
H N
H
HC
N
H
C
N
H
C C
C
C
C C
C
H
C
C
CH
H N
N
N
N
N C
H
C
N
N
C
C N
C
C
C
N
C
N
CC
O
O
HN H
T
H
G
A
C
Mutazioni spontanee:
p. es. tautomeria
Mutazioni indotte:
p. es. da UV
Dimero di Timina
TT
AA
TT
AA
Fotoriattivazione:
riparazione corretta
TT
AA
Mutazione genica:
transizione AT > GC
DNA mutato
UV
Luce solare
HH
Riparazione SOS:
soggetta a errore
Escissione di nucleotidi
Riparazione per
escissione: corretta
TT
AA
Escissione di basi
Mutazione genica
Mutazione cromosomica
strutturale
Cromosomi diversi
Raggi X
Cromatidi fratelli
Riparazione per ricombinazione non omologa: soggetta ad errore
Mutazioni indotte: p. es. da raggi X
Riparazione per ricombinazione omologa: corretta
Mutazioni Geniche e fenotipi
• Mutazione genica: evento per cui un gene si trasforma da una forma
allelica ad un’altra e il nuovo allele è ereditato secondo le leggi di Mendel.
• Retromutazione: mutazione da un allele anormale ad un allele standard.
• Mutazione morfologica: mutazione che si esprime in un’alterazione della
forma dell’organismo.
• Mutazioni letali,subletali, detrimentali: mutazioni che determinano la
morte, la bassissima sopravvivenza o il danneggiamento dell’organismo.
• Mutazioni condizionali: mutazioni il cui fenotipo si manifesta solo in
particolari condizioni ambientali.
• Mutazioni biochimiche: mutazioni che determinano la perdita o il
cambiamento di un passaggio biochimico.
• Mutazioni nutrizionali: mutazione per cui microrganismi passano da un
genotipo standard con cui è possibile la crescita con terreno minimo
(prototrofi) a un nuovo genotipo in cui è richiesta la somministrazione
supplementare di specifiche sostanze (auxotrofi).
• Mutazioni per resistenza: mutazioni che determinano la capacità di
resistere a sostanze tossiche o a organismi patogeni cui invece il genotipo
standard è sensibile.
Mutazioni Geniche e effetti molecolari
Mutazioni per sostituzione di base:
• Sinonima: la tripletta mutata viene trascritta in un codone che codifica lo
stesso aminoacido
• Non sinonima: la tripletta mutata viene trascritta in un codone che codifica
un altro aminoacido.
• Senza senso: la tripletta mutata viene trascritta in un codone di
terminazione (vedere 3° credito).
Tutte le mutazioni geniche:
• Con perdita di funzione: l’allele che ne deriva è un allele recessivo il cui
prodotto ha perso la propria attività biologica (knock out).
• Con acquisto di funzione: l’allele che ne deriva è un allele dominante il cui
prodotto ha modificato la propria attività biologica, rendendola
incondizionata.
• Silente: l’allele che ne deriva non modifica l’attività biologica del proprio
prodotto.
Mutazioni cromosomiche strutturali
a
b
c
d
Anello
a
b
b
c
d
c
d
e
c
d
d
e
e
Delezione
interstiziale
Delezione
terminale
a
b
Duplicazione
Fissione centrica
Fusione centrica
a
b
Inversione
paracentrica
d
c
e
b
e
Inversione
pericentrica
a
b
a
b
c
d +
e
a
b
a
d
c
f
g
h
i
l
a
b
Dicentrico
c
d
g
f
c
d +
h
i
l
f
g
e
Traslocazione
reciproca
Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 1:
una rottura
A
A
B
B
DELEZIONE TERMINALE
(instabile)
C
ROTTURA
A
A
B
B
A B
B A
C
SI PERDE IL FRAMMENTO
ACENTRICO
SI POSSONO SALDARE LE
ESTREMITA’ DI ROTTURA, DOPO LA
REPLICAZIONE DEL CROMOSOMA
I 2 CROMATIDI FRATELLI, SALDATI
… OPPURE SI ROMPONO.
RECIPROCAMENTE,
NON SI
POSSONO SEPARARE IN ANAFASE…
Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 2:
crossing over ineguale
A
A
B
B
C
A
B
C
B
B
B
B
C
C
A
B
C DELEZIONE
INTERSTIZIALE
(stabile)
C
C
CROSSING OVER
INEGUALE
IRREGOLARE
A
A
B
B
APPAIAMENTO C
A
A
A
B
APPAIAMENTO
A
A
B
B
C
C
A
B
IRREGOLARE
B
B
complementari
DUPLICAZIONE
IN TANDEM
(stabile)
CROMOSOMA
NORMALE
C
B
B
Su un’altra scala (di- trinucleotidi) questo
meccanismo può spiegare l’espansione dei
microsatelliti, alla base di gravi patologie umane
C
TRIPLICAZIONE
IN TANDEM
(stabile)
Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 3: due
rotture su due bracci diversi dello stesso cromosoma
F
A
B
B
E
F
B
E
A
C
D
C D
2 rotture
C D
C
A
E
D
SI PERDE
ANELLO
IL
FRAMMENTO
(instabile)
ACENTRICO
A
A
E
F
F
B
B
C D
F
E
D
C
A
B
E
INVERSIONE
PERICENTRICA
(stabile)
F
Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 4:
due rotture sullo stesso braccio dello stesso cromosoma
C
B
E
E
D
F
D
C
E
D
SI PERDE
DELEZIONE
IL FRAMMENTO
INTERSTIZIALE
ACENTRICO
(stabile)
B
A
C E
D
C
F
F
A
B
A
B
A
F
F
C
E
D
A
B
D
B
A
C
E
F
INVERSIONE
PARACENTRICA
(stabile)
Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 5:
due rotture su due cromosomi diversi
A
G
B
H
C
I
D
L
E
M
F
N
2 rotture
SI PERDE
IL FRAMMENTO
ACENTRICO
Cromosoma
Dicentrico
(instabile)
A
G
B
H
C
TRASLOCAZIONE
RECIPROCA
STABILE
I
M
L
N
D
E
F
Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 6:
riordinamenti al livello del centromero
A
B
A
B
C
C
D
E
D
2 rotture
SI PUO’ PERDERE
IL CROMOSOMA
PUNTIFORME
F
FISSIONE
CENTRICA
STABILE
?
FUSIONE
CENTRICA
STABILE
E
F
Mutazioni numeriche aneuploidi
Gamete (spora)
aploide (n)
Cellula diploide (2n)
Cellula trisomica
(2n+1)
Cellula monosomica
(2n-1)
Cellula tetrasomica
(2n+2)
Cellula nullisomica
(2n-2)
Cellula con
aneuploidia multipla
Gamete (spora) con
aneuploidia multipla
Gamete (spora)
disomico (n+1)
Gamete (spora)
nullisomico (n-1)
Gamete (spora)
trisomico (n+2)
Origine di mutazioni numeriche 1: non
disgiunzione, monosomie e trisomie
Mitosi
Meiosi I
Meiosi II
2n +1
2 (n +1)
n +1
Non
disgiunzione
Non
disgiunzione
Non
disgiunzione
2n - 1
2 (n – 1)
n-1
Il risultato di una nondisgiunzione alla
mitosi è la comparsa
di cellule
monosomiche e
trisomiche
Il risultato di una nonIl risultato di una nondisgiunzione alla
disgiunzionemplici alla
meiosi I è la comparsa
meiosi II è la comparsa
paia di
gameti e disomici
Se i di
gameti
nullisomici
partecipano
alla e
di gameti
nullisomici
nullisomici econ
disomici
fecondazione
gameti aploidi normali,
ne risultano
disomici
zigoti monosomici e trisomici rispettivamente
NON DISGIUNZIONE E ANEUPLOIDIE DEI
CROMOSOMI SESSUALI
Xw Xw
P
F1
Xw+ Y
Xw XwY
Xw Xw+ Xw Y
Progenie normale
aneuploidia
XXY
Xw+
Progenie eccezionale (1/2000)
Gameti
Xw+
Xw Xw
XwXwXw+
LETALE
Xw+ sterile
Y
X0
drosofila
uomo
In drosofila il sesso è determinato dal
rapporto numerico fra autosomi e
cromosomi X
Nell’uomo il sesso è determinato dalla
presenza/assenza del cromosoma Y
0
XwXwY
Y
LETALE
Non disgiunzione in un oocita
Mutazioni numeriche euploidi
Cellula diploide (2n)
Gamete (spora)
aploide (n)
Cellula autotetraploide (4n)
Gamete (spora)
diploide (2n)
Cellula triploide (3n)
Cellula monoploide (n)
Cellula allotetraploide
(2n+2n’)
Gamete (spora)
anfidiploide (n+n’)
Origine di mutazioni numeriche:2 AUTOPOLIPLOIDIE
A-IN MITOSI
Il blocco di una mitosi di una
Se c’è un blocco nella prima
cellula diploide da origine a
cellule
mitosi tetraploidi
di uno zigote,lo zigote
Ile blocco
di k mitosi
l’organismo
che nedaderiva
origine a cellule con 2k+1n
diventano tetraploidi
cromosomi
4n
cromosomi
duplicati
DUPLICAZIONE
(interfase)
2n
cromosomi
duplicati
BLOCCO DELLA MITOSI
4 n cromatidi
Origine di mutazioni numeriche:2 AUTOPOLIPLOIDIE
B- MEIOSI E FECONDAZIONE
Blocco di una
delle due
divisioni
meiotiche
Fecondazione
multipla
Gamete non
ridotto
ZIGOTE 3 n
ALLOPOLIPLOIDIA: gli ibridi
anfidiploidi
MEIOSI
ABORTIVE,
STERILITA’
Fecondazione interspecifica, fra
specie diverse ma compatibili,
con sviluppo dell’ibrido
Zigote anfidiploide ibrido,
vitale
Successive divisioni mitotiche,
differenziamento
inividuo anfidiploide ibrido,
vitale ma sterile
I cromosomi non sono a 2 a 2
omologhi: in 1° divisione meiotica
non riescono ad appaiarsi e
segregano casualmente
Di conseguenza i gameti sono
sbilanciati geneticamente, quindi sterili
ALLOPOLIPLOIDIA: origine di
individui allopoliploidi
Cellula anfidiploide
INDIVIDUO
ALLOTETRAPLOIDE
FECONDO
ZIGOTE
Fecondazione
fra gameti
ALLOTETRAPLOIDE
Salto di una mitosi
nella linea germinale
anfidiploidi
GAMETE
ANFIDIPLOIDE
1° DIVISIONE
MEIOTICA
NORMALE
Meiocita allotetraploide
Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche
(I divisione meiotica): Mutazioni sbilanciate
(duplicazioni e delezioni in eterozigosi, trisomie e monosomie)
Eterozigote per
una duplicazione
Eterozigote per
una delezione
Trisomico
Monosomico
GAMETI NORMALI 50%
a
a
A
A
b
b
B
B
B
B
a
a
A
A
b
b
a
a
A
A
b
b
B
B
A
A
B
B
a
a
b
b
GAMETI SBILANCIATI 50%
Con duplicazione
Con delezione
Disomico
Nullisomico
ALTRI EFFETTI GENETICI:
Un individuo eterozigote per una mutazione sbilanciata
•soppressione del crossing over entro la regione deleta;
produce metà gameti normali e metà gameti sbilanciati
•pseudodominanza (la delezione di un allele dominante consente
l’espressione di un allele recessivo)
Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche
(I divisione meiotica): inversioni paracentriche in eterozigosi
A
Crossing over all’interno
dell’ansa fra i geni B e C
E
C
Anafase I
C
BD
A
D
E
B
D
A
C
A
C
B
B
D
E
C
E
EFFETTI
I gametiGENETICI:
con i prodotti del
crossing overdei
nella
regione del
• soppressione
prodotti
invertita
su 4) non
sono
crossing
over(2entro
la regione
invertita;
vitali
Il cromatidio
è instabile:
• riduzione della dicentrico
fecondità.
forma un ponte di
cromatina che si
rompe e si perde
D
B
A
A
D
E
C
B
Il frammento
acentrico si perde
E
Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche
(I divisione meiotica): inversioni pericentriche in eterozigosi
Crossing over all’interno
dell’ansa fra i geni B e C
Cromatidi
sbilanciati
C
B
A
A
D
C
BD
A
B C
D
E
E
A
E D C B
D C B
A
D C B
E
Anafase II
E
Anafase I
A
E
EFFETTI GENETICI:
I gameti con i prodotti del
• soppressione
dei prodotti del
crossing
over
nellala
regione
crossing over entro
regione
invertita (2 su 4) sono
invertita;
sbilanciati, con delezioni e
• riduzione
della
fecondità.
duplicazioni
complementari;
quindi non sono vitali o lo
sono poco
Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche
(I divisione meiotica): traslocazioni reciproche in
eterozigosi
C
C
C
C
Segragazione
A Segregazione
B GENETICI:
A
B
EFFETTI
alternata:
D
D
adiacente:
si
formano
Anafase
I
si formano coppie di
coppie di coinvolti;
gameti
gameti bilanciati: 2 confra i geni dei cromosomi
• pseudoassociazione
sbilanciati con delezioni
i cromosomi normali e
e duplicazioni
2
con
i
cromosomi
A
B
A
B
• riduzione
della fecondità.
D
complementari
traslocati D
E
E
E
E
F
F
F
F
Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche
(I divisione meiotica): fusioni centriche in eterozigosi
Segragazione con non
disgiunzione
Segregazione
EFFETTIcorretta:
GENETICI:
secondaria:
si formano
si formano
di
B coppie
C
A
B C
B C
A
A
coppie
di
gameti
gameti
bilanciati:
2
con
• pseudoassociazione fra i geni deisbilanciati
cromosomi
coinvolti;
con
i cromosomi normali e
nullisomie e disomie
con il cromosoma
•2riduzione
della
fecondità.
complementari
fuso
A
B C
A
B C
A
B C
La trasposizione
(ATGGC)n
(GCCAT)n
La trasposizione consiste nello spostamento di
segmenti cromosomici da un sito cromosomico
all’altro, grazie a particolari sequenze
fiancheggiatrici e a enzimi (tra cui le trasposasi), i
cui geni sono spesso inserite all’interno degli
elementi trasponibili.
Sequenze specifiche
Geni per la
trasposizione
Elemento
trasponibile Ds
La trasposizione ha talvolta effetti mutageni specifici: il sistema degli
elementi trasponibili Ac e Ds nel mais producono la rottura dei
cromosomi nel sito di provenienza di Ds e l’inattivazione del gane Wx,
in cui si inserisce Ds, inducendone la mutazione.
La retro-trasposizione
cromosoma
trascrizione
RNA
retrotrascrizione
La retro-trasposizione consiste nella trascrizione come RNA
di segmenti cromosomici, che vengono retro-trascritti come
DNA che si inserisce in altri siti cromosomici.
DNA
Sequenze specifiche
Geni per la
trasposizione
La retro-trasposizione è il meccanismo che consente
l’allungamento delle sequenze telomeriche in Drosophila
sequenza
trasponibile
telomerica
Test di mutagenesi: i loci specifici
Trattamento mutageno
AABBCCDD
X
ABCD
gameti
normali
(999)
AbCD
gamete
mutato (1)
aabbccdd
abcd
gameti
(1000)
AaBbCcDd
AabbCcDd
%
m
u
t
a
n
t
i
Dose mutageno
Test di mutagenesi: ClB
+
+
l
B
X X
+
+
+
+
P
+
+
C
Trattamento con
agente mutageno
X Y
l
B
C+
+
l*
l
C+
B
+
+
Raramente
l
B
+
+
C
F1
2 :1
X X
X Y
X X
l*
+
+
+
+
X X
l
B
C+
+
X X
l*
+
+
l
B
X Y
C
2 : 1 di
F2 Assenza
EFFETTI BIOLOGICI DELLE MUTAZIONI: 1
mutazioni germinali, precoci e somatiche
Le mutazioni che insorgono in meiosi o dopo o che vi passano senza subire
variazioni, determinano nella progenie i seguenti effetti:
1) MUTAZIONI GENICHE: il loro effetto dipende dalla dominanza e dal loro
specifico effetto biologico.
2) MUTAZIONI CROMOSOMICHE SBILANCIATE (delezioni, duplicazioni,
aneuploidie): sono dannose in eterozigosi e ancora più dannose in omozigosi.
3) MUTAZIONI STRUTTURALI BILANCIATE (inversioni, traslocazioni, fusionifissioni centriche): producono un difetto di fecondità negli eterozigoti
4) AUTOPOLIPLOIDIE: sono mal tollerate negli animali, ben tollerate nelle
piante.
5) ALLOPOLIPLOIDIE: sono ben tollerate nelle piante e del tutto feconde.
Le mutazioni che insorgono nello zigote, durante la segmentazione o nelle prime
fasi dell’embriogenesi, eventualmente prima della distinzione fra cellule somatiche
e germinali sono le MUTAZIONI PRECOCI, che determinano il loro effetto in
settori del corpo tanto più ampi quanto più precoce è la mutazione; sono una delle
cause del MOSAICISMO (presenza di cellule con due o più genotipi diversi in un
individuo).
Le mutazioni che insorgono nelle cellule somatiche sono le MUTAZIONI
SOMATICHE, che determinano il loro effetto in settori limitati delle cellule
somatiche.
EFFETTI BIOLOGICI DELLE MUTAZIONI: 2
mutazioni somatiche e cancro
Cellule normali
mutageni
Mutazioni
somatiche
Cancro
Displasia
Il cancro viene indotto da una successione di mutazioni
somatiche che coinvolgono geni connessi al controllo della
proliferazione cellulare e che conferiscono ai cloni cellulari
mutati una proliferazine incontrollata.
Metatstasi
La predisposizione genetica al cancro consiste in genotipi che
derivano dalla trasmissione ereditaria via linea germinale di
assetti genetici (alleli, cromosomi mutati etc) e che facilitano
l’insorgenza di tumori:
p. es. genotipi difettivi per la riparazione
del DNA danneggiato, come l’omozigosi
per gli alleli recessivi di Xeroderma
pigmentosum, difettiva per la riparazione
da escissione (diapositiva 5), aumentano il
tasso delle mutazioni somatiche.
p. es. genotipi potenzialmente difettivi
per il controllo del ciclo cellulare, come
l’eterozigosi per gli alleli recessivi di RB1,
che in omozigosi non controllano pù il
passaggio da G1 a S, consentendo una
proliferazione indiscriminata.
Mutazioni e cancro
Le mutazioni somatiche che portano al cancro riguardano in
particolare:
a) geni che tutelano la stabilità del ganoma – protezioneriparazione del DNA (p. es. Xp);
Go
G1
S
Controllo
Induzione
pRB1
pABL
b) geni “oncosoppressori” che controllano la progressione nel ciclo
cellulare (p. es RB1);
c) “protooncogeni”, che inducono la proliferazione cellulare in
seguito a stimoli specifici (p. es. ABL).
I meccanismi principali per cui le mutazioni somatiche innescano la trasformazione tumorale sono
•espressione di nuovi alleli dovuti a mutazione genica;
•effetto di posizione in inversioni e traslocazioni, per cui un gene modifica la sua espressione in
funzione delle regioni cromosomiche adiacenti o addirittura si formano geni “ibridi”;
• alterazione del dosaggio genico in seguito a mutazioni cromosomiche sbilanciate o ad
amplificazione;
• pseudodominanza o “perdita di eterozigosità” per cui si manifestano alleli recessivi in seguito alla
perdita dei corrispondenti alleli dominanti in seguito a delezione, monosomia o ulteriori mutazioni
alleliche verso l’allele recessivo.
Cromosoma “Philadelphia”
RB1
RB1-
Cromosoma 13
RB1Delezione - pseudodominanza
BCR
ABL
Cromosoma 22
Cromosoma 9
BCR-ABL
Traslocazione – gene ibrido
