MUTAZIONI CROMOSOMICHE DEL GENOMA
Cambiamenti nel numero cromosomico
rispetto al numero di cromosomi caratteristico della specie, presenti in
nelle cellule dell’organismo:
2n= numero cromosomico di cellule diploidi (nell’uomo; cellule
somatiche e goniali);
n= numero cromosomico di cellule aploidi/monoploidi (nell’uomo:
gametociti e gameti).
Alterazione del numero:
•di singoli cromosomi:
MUTAZIONI ANEUPLOIDI
•di interi assetti cromosomici:
MUTAZIONI EUPLOIDI
PLOIDIA
MUTAZIONI CROMOSOMICHE DEL
GENOMA
numero di assetti cromosomici completi (set) -caratteristico del cariotipo di
una determinata specie- presente in cellule di un tessuto; in genere viene
simbolicamente espresso dalla lettera n, ma può essere indicato anche da X.
1 solo assetto:
Condizione APLOIDE (n): è presente 1 solo rappresentante di ciascuna
coppia di cromosomi omologhi del cariotipo.
Questa è la condizione caratteristica dei gameti; è tuttavia noto che i vegetali
e molte specie animali svolgono una fase del loro ciclo vitale in condizione aploide
(1).
1) Nel ciclo vitale delle piante si alternano una fase gametofitica (aploide) e una
sporofitica (diploide) = alternanza di generazioni.
Rari esempi tra gli animali, in natura, tra cui i maschi delle api, vespe e
formiche: questi si sviluppano da uova non fecondate, cioè per partenogenesi; in
questi individui le meiosi non possono aver luogo e i gameti sono prodotti per
mitosi.
Condizione MONOPLOIDE (X):
Il numero cromosomico aploide (n) di una specie può essere il risultato di
duplicazioni di un singolo assetto ancestrale con numero cromosomico inferiore,
chiamato numero monoploide (x). Questo termine è infatti usato per indicare il
numero ‘base’ di cromosomi in alcune specie il cui cariotipo deriva dalla fusione
di 2 (o più) assetti cromosomici di specie con uguale n° cromosomico.
Esempio: il frumento. Il suo cariotipo è dato dalla fusione di tre cariotipi
“ancestrali”, in cui ciascun singolo assetto conteneva 7 cromosomi. Quindi in
questa specie : 2n=42; n=21; X=7, ed il corredo cromosomico è esaploide
(7x3x2).
Le cellule somatiche sarebbero quindi esaploidi, con sei ‘x ‘ assetti (21 coppie
di cromosomi): 2n = 6x = 42. I gameti sono sia aploidi (n) che triploidi, poiché
presentano tre serie di cromosomi (3x).
2 assetti:
Condizione DIPLOIDE (2n): la condizione caratteristica
nei mammiferi.
3 assetti:
Condizione TRIPLOIDE (3n): frequente nelle piante, ma
rara tra gli animali; determina sterilità.
4 assetti:
Condizione TETRAPLOIDE (4n): frequente e compatibile
con la meiosi nelle piante, rara tra gli animali.
MUTAZIONI EUPLOIDI
1) MONOPLOIDIA / APLOIDIA
Negli animali: condizione incompatibile con la vita (maggior parte delle specie).
Nelle piante: compatibile con la vita: coltivando in vitro cellule della fase
gametofitica (granulo pollinico) si possono ottenere piantine aploidi; poi
attraverso trattamenti con colchicina si induce poliploidizzazione, diventando
diploidi omozigoti per l’intero assetto (‘linee pure’). In questo modo la meiosi può
compiersi e formare gameti normali: si producono così piante stabili (fertili).
2) POLIPLOIDIA- in natura organismi poliploidi sono frequenti solo tra le piante,
rarissimi tra gli animali; tra questi si osservano anfibi, rettili, alcuni pesci.
La condizione poliploide può originare da anomalie nella gametogenesi o
nel processo di fecondazione:
A) ciclo meiosi / fecondazione
- Meiosi abortive: producono gameti 2n: se fecondano gameti aploidi = 2n+n=3n:
zigoti triploidi
- Fecondazione multipla: 2 gameti aploidi fecondano 1 gamete aploide: n+n+n=3n:
zigote triploide (polispermia).
Organismi poliploidi
oppure nell’individuo (cellule / tessuti):
B) in cellule somatiche
- Mitosi abortive. Ploidia finale = 2n
(k+1),
dove k = n° di mitosi saltate
-Fusione cellulare. Grado di ploidia risultante = somma delle ploidie delle
cellule fuse.
Tessuti poliploidi
Anche in condizioni non patologiche di organismi diploidi, uomo compreso,
molte cellule somatiche sono poliploidi, generalmente originate per
endoreduplicazione (duplicazione senza mitosi) o per fusione cellulare.
POLIPLOIDIA
1) AUTOPOLIPLOIDIA: origina da cellule della stessa specie.
(frequente tra le piante. Pochi gli animali: platelminti; alcuni crostacei, anfibi;
rettili; pesci).
• TRIPLOIDIE: in natura si formano per fusione di gameti 2n+n; artificialmente
per incroci tra 1 tetraploide (4n: gameti =2n) con un diploide (gameti=n). Sono
sempre STERILI perché in meiosi i 3 omologhi per ciascun cromosoma dell’assetto
si appaiano formando 1 trivalente oppure 1 bivalente + 1 univalente. In anafase 2
omolo migrano verso 1 polo e 1 verso l’altro.
(Nelle piante si possono produrre frutti senza semi: sono triploidi)
La segregazione del
trivalente (o bivalente +
univalente) è sempre
sbilanciata (2:1). Il 100%
dei prodotti meiotici non
sono vitali perchè
fortemente sbilanciati.
•TETRAPLOIDIE: in natura si formano per salto di 1 o + mitosi (abortive);
sperimentalmente con uso di colchicina. Compatibili nelle piante (più forti e
grandi).
A livello germinale (meiosi) le mutazioni eupoliploidi per numeri pari di assetti
(4n, 6n, etc.) possono formare 2 (o più) bivalenti, segregando regolarmente;
pertanto queste NON sempre sono STERILI.
Anche a livello somatico le poliploidie di n pari (2n, 4n etc.) sono più tollerate,
rispetto a quelle dispari.
Queste condizioni sono anche chiamate POLIPLOIDIE COSTITUZIONALI
(rare): si possono osservare ad esempio in cellule del fegato o di tessuti di
rigenerazione, che sono tetraploidi a causa della endoreduplicazione; nei
megacariociti (precursori delle piastrine), cellule del midollo osseo con nuclei
molto grandi: 8-16 volte il numero aploide di cromosomi.
POLIPLOIDIA:
2) ALLOPOLIPLOIDIA: origina dalla fusione di cellule di 2 SPECIE DIVERSE, ma
AFFINI. Gli allopoliploidi contengono corredi cromosomici parzialmente omologhi,
detti omeologhi. L’assetto cromosomico di un allodiploide è dato da 2n1 + 2n2 che
indicano gli assetti diploidi delle 2 specie di provenienza.
Un ibrido tra due specie è
sterile: il suo corredo
cromosomico, n1 + n2, non
può dare gameti vitali (in
meiosi si formano solo
univalenti). Ma se si
raddoppia il n° cromosomico
(ad es. per il salto di 1 mitosi)
il nuovo assetto => 2n1 + 2n2
detto ANFIDIPLOIDE (cioè
“doppio diploide”). Se l’intero
organismo ha un assetto
anfidiploide questo può
formare gameti
normalmente, ed è quindi
potenzialmente fertile.
Esempio: incrocio tra ravanello e cavolo
Mixoploidia
si riferisce alla presenza di due linee cellulari, una diploide e una poliploide.
Anche se la poliploidia nell'uomo non è vitale, condizioni di mixoploidia sono
state trovate in adulti e bambini.
Ci sono due tipi di mixoploidia:
diploide-triploide, in cui alcune cellule hanno 46 cromosomi e alcune 69, e
diploide-tetraploide, in cui alcune cellule hanno 46 e alcune hanno 92
cromosomi.
ANEUPLOIDIE Sempre legate ad eventi mutazionali.
Consistono in variazioni non-euploidi del n° cromosomico, cioè nell’aumento o nella
diminuzione del numero di cromosomi presenti nel corredo normale (2n o n), di un
numero di cromosomi che sia diverso da un assetto completo. Ad esempio, l’assetto
diploide 2n (o quello aploide n) può essere aumentato (o diminuito) per un n° di
cromosomi variabile, compreso tra 1 e n-1.
Le aneuploidie provocano generalmente gravi sbilanciamenti del genoma e sono
quasi tutte incompatibili nell’uomo e negli animali in generale Le più tollerate
sono le trisomie. Possono essere compatibili con la vita nelle piante.
nei gameti
(aploidi)
In cellule
diploidi (sia
somatiche che
germinali)
NULLISOMIA
n-1
DISOMIA
n+1
MONOSOMIA
2n-1
TRISOMIA
n+1
In Datura stramonium, sono noti i
fenotipi di tutte le trisomie possibili
(n=12).
L’insorgenza delle aneuploidie è causata da ERRORI NEL PROCESSO DI
SEGREGAZIONE (IN MITOSI E IN MEIOSI).
Tra questi i proncipali sono: EVENTI DI NON DISGIUNZIONE E DI
PERDITA CROMOSOMICA o CROMATIDICA
La non disgiunzione può essere dovuta principalmente a:
• mal funzionamento delle fibre del fuso in mitosi (o in meiosi), sia spontaneo
che indotto da colchicina (o altri veleni del fuso);
• alterazioni strutturali/funzionali dei cinetocori.
Non disgiunzione
Somatica:
cellula 2n
2n-1
2n+1
cellula
monosomica
cellula
trisomica
Non disgiunzione somatica:
a) fecondazione;
b) 1a divisione dello zigote con
evento di nondisgiunzione;
c) Primi 2 nuclei figli con mutazione
aneuploide “complementare”: 2n+1 (XY) e
2n-1 (X);
d) Formazione della blastula a “mosaico”: 2
settori adiacenti con le 2 mutazioni
aneuploidi: 2n+1 e 2n-1.
Non disgiunzione Germinale
(Meiosi)
se in MI:
cellula
2n
n+1
n+1
M1
50%
M2
n+1
n-1
n-1
50%
n-1
Tutti i gameti (100%) aneuploidi: 50% n-1
e 50% n+1 (eerozigoti per A/a)
n
se in MII:
cellula
2n
n+1
M1
n-1
50%
M2
n
n
50%
n
50% dei gameti normali (n) e 50%
aneuploidi: 25% n-1 e 25% n+1(A/A)
CONSEGUENZE (ereditarietà)
Se un gamete nullisomico (n-1) feconda 1 gamete normale n, l’individuo sarà
monosomico (2n-1), con la mutazione “nullisomia” in eterozigosi(*) (genotipo:
n/n-1): i suoi gameti saranno 50% n + 50% n-1.
Meiosi di una cellula monosomica:
segregazione come per caratteri in eterozigosi: 2
gameti selvatici (n) + 2 gameti mutanti (n-1) (50%).
(*) Lo stesso vale per qualsiasi mutazione aneuploide.
Individui trisomici: sono eterozigoti per la condizione n/n+1
Meiosi di una cellula trisomica (eterozigote
A/a/a). Sono possibili 3 diverse modalità di
segregazione, equiprobabili:
A/a : a/a = 2 : 1
PATOLOGIE UMANE con ANOMALIE CROMOSOMICHE:
errori meiotici, rari i casi di ereditarietà
Individui trisomici- cromosomi coinvolti: 21,18,13, X, Y (XXX, XXY, XYY).
Individui monosomici: X0.
Traslocazioni Robersoniane: traslocazioni tra cromosomi acrocentrici,
che nell’uomo portano il “satellite” (regione NOR) sul braccio corto. Le
rotture sono a livello del centromero
Alcune patologie umane sono dovute a
traslocazioni Robertsoniane (Rb): tra le più
note alcune forme di sindrome di Down in
cui si determina la duplicazione del
cromosoma 21, come nelle traslocazioni Rb:
t (14q-21q);
t (13q-21q).
il portatore “sano” (eterozigote per la traslocazione) può formare diversi
gameti:
1) sono presenti il normale 21 e il cromosoma traslocato 14-21; è assente il 14
(n= 23, X o Y: -14 + t(14q21q): duplicazione 21q (vitale);
2) è presente il cromosoma traslocato 14-21 e assenti i normali 14 e 21 (n= 22,
X o Y: -14,-21 + t(14q21q) (bilanciato e vitale);
3) è presente il normale assetto aploide ‘parentale’ (n=23, X o Y);
4) è assente il 21 (n= 22, X o Y: -21), non vitale (nullisomia # 21);
5) sono presenti il normale 14 e il traslocato 14-21; assente il 21 (n= 23, X o Y:
-21 + t(14q21q). Questo gamete porta una duplicazione del 14q, non vitale;
6) è assente il 14 (n
= 22, X o Y: -14),
non vitale
(nullisomia # 14).
1
[5 e 6 non mostrati]
2
3
4
Cariotipo ricombinante,
BILANCIATO (2 copie
del #21)
Cariotipo ricombinante,
SBILANCIATO (3 copie
del #21)
Traslocazione Robertsoniana tra: #13 e #14
[45, XX, t (13;14)]
TRA I NATI VIVI:
No poliploidie;
Totale
incompatibilità con
No monosomie
lo sviluppo
(unica eccezione:
embrionale/vita
X0) e aneuplodie
minus varianti;
Compatibili le
trisomie per X e Y;
Tra gli autosomi
Aneuploidie plus compatibile solo la
varianti: solo
trisomia 21;
trisomie;
incompatibili tutte
le altre trisomie,
solo poche: 18 e 13;
Aberrazioni
cromosomiche
(stabili):
inversioni e
traslocazioni.
Compatibili le
aberrazioni
bilanciate;
pochissime le
sbilanciate.
(52%)
TRA GLI ABORTI
SPONTANEI:
93% numeriche di cui:
23% poliploidie
18% monosomie: solo X0
52% trisomie
… più in dettaglio:
