E’ vecchia esperienza che attraverso i suoi errori la Natura ci offre spesso
possibilità inattese di intuire i suoi segreti che sarebbero altrimenti impenetrabili
A.Loewy e C. Neuberg
Evoluzione
Variabilità
genetica
Selezione naturale
Diversità
• Nuovi modi di sfruttare efficacemente l’ambiente
• Competizione con le altre specie
• Riprodursi con successo
La variabilità genetica causa la formazione
di nuove specie
I meccanismi fondamentali che provocano
variabilità genetica sono:
• Le mutazioni
• La riproduzione sessuale
Le mutazioni sono variazioni della
sequenza nucleotidica del DNA.
Possono essere causate da:
• errori durante la duplicazione del DNA
• esposizione delle cellule ad agenti fisici o
chimici (agenti mutageni)
• errori durante le fasi di divisione cellulare
Classificazione
Mutazioni geniche
Mutazioni cromosomiche
Numero di nucleotidi coinvolti
(1 nucleotide
1 cromosoma)
Effetti delle mutazioni geniche
Perdita o Acquisto della funzione
Nessun effetto
Un miglioramento della funzione
Perdita o Acquisto della funzione
A
A
A1
Nessun effetto sulla proteina
A
A
A1
Un miglioramento della funzione
A
A
A1
Cicli ripetuti di errori e prove
Evoluzione
“Il caso e la necessità”
A1 – B1
A–B
A2 – B2
A1
A2
B1
B2
soluzione ottimale
soluzione indifferente
soluzione letale
soluzione indifferente
peggiore di A1
L’insorgenza delle mutazioni è
identica in tutto il genoma
????
Alcune parti del genoma cambiano
più facilmente di altre nel corso
dell’evoluzione
• Hot spot di mutazioni
• Funzione svolta da una
determinata regione genomica
Le regioni altamente conservate e
corrispondono a regioni
funzionalmente importanti
• geni che codificano per proteine o per
RNA essenziali
• regioni di regolazione
Rimangono perfettamente
riconoscibili in tutte le specie
viventi
e sono quelli che dobbiamo utilizzare
se vogliamo ricercare relazioni di
parentela tra i diversi organismi
RNA ribosomiale
PROTEIN SEQUENCES ALIGNMENT
Evoluzione molecolare
Classificazione
Mutazioni geniche
Mutazioni somatiche e germinali
Localizzazione
• Extragenica
• Promotore
• Introni
• Siti di splicing
• Sequenza codificante
CDS
Le conseguenze che una mutazione
genica avrà sull’organismo dipendono:
• Variazione qualitativa
• Variazione quantitativa
Le mutazioni geniche che determinano
una variazione quantitativa o qualitativa
di una proteina possono causare la
comparsa di
un fenotipo patologico
Mutazioni puntiformi
• Sostituzione (missense mutations; nonsense
mutations)
• Inserzione o Delezione (frameshift mutations)
Sostituzioni
DNA
Transizioni
Purina-purina o pirimidina – pirimidina
Transversioni
Purina – pirimidina o pirimidina - purina
La sostituzione di un nucleotide all’interno
della CDS può causare:
• La comparsa di un codone che codifica per lo
stesso aminoacido;
• La comparsa di un codone che codifica per un
diverso aminoacido
• La comparsa di un segnale di STOP
Inserzione o Delezione
L’aggiunta o la rimozione di 1 o 2 nucleotidi
provoca lo scivolamento della corretta cornice
di lettura (Frameshift).
Di solito si ha l’interruzione della sintesi
proteica in quanto si vengono a trovare nella
nuova cornice di lettura numerosi segnali di
arresto.
11_14.jpg
Alterazioni dello splicing
11_11_2.jpg
11_12.jpg
5’ UTR
3’ UTR
Effetto di alcune mutazioni sull’mRNA e
sulla proteina
Mutazioni dinamiche
Espansioni di triplette
11_05.jpg
11_05_2.jpg
X fragile
(309550)
309550
Frequenza: 1/4000 maschi.
Ereditarietà: Legata al cromosoma X. Malattia causata da mutazione
dinamica.
Genetica: Nel 1991 è stato identificato il gene responsabile. La
mutazione è caratterizzata dall’amplificazione di un tratto di DNA
costituito da una specifica sequenza ripetuta (CGG). Nei soggetti
normali è presente un numero di ripetizioni variabili da 6 a 55.
Esistono due differenti tipi di mutazione: la premutazione (56-200)
e la mutazione completa (>200). La probabilità di espansione
aumenta con le dimensioni della premutazione e quindi con il
passare delle generazioni (Paradosso di Sherman).
Diagnosi: La diagnosi molecolare (Southern blot)
individuare anche gli individui con la premutazione.
permette
di
Malattia di Huntington
(143100)
Frequenza: 5-10/100.000 nati vivi
Ereditarietà: autosomica dominante. Malattia causata da mutazione dinamica
Genetica: Il gene responsabile della malattia ed il suo prodotto proteico sono stati
identificati. Il gene definito Intersting Transcript (IT-15), è localizzato sul braccio
corto del cromosoma 4 (4p16.3). La malattia è associata all’amplificazione
patologica di una specifica sequenza ripetuta (CAG) nell’allele mutato. Nella
popolazione normale la tripletta è ripetuta 10-30 volte. Nei pazienti affetti il
numero di ripetizioni varia da 36 a più di 100. Un numero intermedio di
espansioni 30-35 volte, è considerato una premutazione.
Diagnosi: Il test genetico si basa sulla determinazione del numero di espansione
della tripletta.
Mutazioni - Polimorfismi
Con il termine polimorfismo intendiamo delle
variazioni della sequenza nucleotidica che si
presentano con una frequenza maggiore
dell’1%
Mutazioni - Polimorfismi
Informally, the term mutation is often used to
refer to a harmful genome variation that is
associated with a specific human disease, while
the word polymorphism implies a variation that
is neither harmful nor beneficial.
Polimorfismi
Polimorfismi di lunghezza dei frammenti di
restrizione (RFLP)
Polimorfismi di un singolo nucleotide (SNP)
Ripetizioni corte in tandem (STR)
Numero variabile di ripetizioni in tandem
(VNTR)
Year
1986
Disease
Duchenne muscular
dystrophy
MIM n
310200
Location Gene
Xp21.3 DMD
Chromosome abnormality
(a) del(X)(p21.3)
1989
1990
Retinoblastoma
Cystic fibrosis
Neurofibromatosis 1
180200
219700
162200
13q14
7q31
17q11.2
RB
CFTR
NF1
1991
Wilms' tumor
Aniridia
194070
106210
11p13
11p13
WT1
PAX6
Familial polyposis coli
Fragile-X syndrome
Myotonic dystrophy
Huntington's disease
Tuberous sclerosis 2
175100
309550
160900
143100
191092
5q21
Xq27.3
19q13.3
4p16
16p13
APC
FMR1
DMPK
HD
TSC2
von Hippel-Lindau disease 193300
3p25
VHL
Achondroplasia
100800
Early-onset breast/ovarian 113705
cancer
Polycystic kidney disease 173900
601313
Spinal muscular atrophy 253300
600354
4p16
17q21
FGFR3
BRCA1
(b) t(X;21)(p21.3:p13)
del(13)(q13.1q14.5)
None
Balanced translocations
t(1;17)(p34.3:q11.2)
t(17;22)(q11.2:q11.2)
del(11)(p14p13)
t(4;11)(q22;p13)
del(11)(p13)
del(5)(q15q22)
FRAXA fragile site
None
None
Microdeletions in candidate
region
Microdeletions in candidate
region
None
None
16p13.3
PKD1
t(16;22) (p13.3;q11.21)
5q13
SMN1
None
1993
1994
1995
Polimorfismi
Sono stati utilizzati inizialmente come
marcatori genetici
Associazione tra un fenotipo patologico ed
un polimorfismo
SNPs are very common variations
scattered throughout the genome.
Because they are fairly easy to
measure and are also remarkably
stable, being inherited from
generation to generation,
they have become useful as gene
"markers.”
If a particular SNP is located near a
gene, then every time that gene is
passed from parent to child, the SNP
is passed on also.
This enables researchers to assume
that when they find the same SNP in
a group of individual genomes, the
associated gene is present also.
Variations Causing Harmful Changes
Variations Causing No Changes
Variations Causing Harmless Changes
However, scientists are now learning that
many polymorphisms actually do affect a
person's characteristics, though in more
complex and sometimes unexpected ways.
Finally, there are genetic
variations that have "latent"
Variations Causing Latent Changes
effects.
These variations, found in
coding and regulatory regions,
are not harmful on their own,
and the change in each gene
only becomes apparent under
certain conditions.
Such changes may eventually
cause some people to be at
higher risk for cancer, but only
after exposure to certain
environmental agents.
They may also explain why one
person responds to a drug
treatment while another does
not.
Differente risposta a specifiche terapie
Individual SNP Profiles
The genome of each individual contains its
own pattern of SNPs.
Thus, each individual has his or her own
SNP profile.
When scientists look at all the patterns from
a large number of people they can organize
them into groups.
SNPs occur in both coding and noncoding regions and
can cause silent, harmless, harmful, or latent effects.
SNPs can be markers for cancer.
SNPs may also be involved in the different levels of
individual cancer risk observed.
In the future, SNPs databases may be used to improve
cancer diagnosis and treatment planning.
MUTAZIONI CROMOSOMICHE
Di numero
(Aneuploidie – Monosomie – Trisomie)
Di struttura
(Delezioni, inserzioni, traslocazioni, inversioni)
Delezione
Sindrome
Fenotipo
5p-
Cri du chat
Pianto simile al miagolio di
un gatto, diverse anomalie
del viso, severo ritardo
mentale
11q-
Tumore di
Wilms
Tumore renale
13q-
Retinoblastoma
Tumore dell’occhio
15q-
Sindrome di
Prader-Willi
Astenia ed accrescimento
lento nei neonati
Obesità ed attacchi
compulsivi di fame nei
bambini e negli adulti
Delezioni del braccio corto del cromosoma
5
02_20.jpg
Cromosomi acrocentrici 13, 14, 15, 21,22
02_21.jpg
02_22.jpg
Duplicazioni o delezioni
Acquisto o Perdita di materiale genetico
Di solito comportano alterazioni fenotipiche
Inversioni o traslocazioni
Trasferimento di materiale genetico
Spesse volte non comportano alterazioni fenotipiche
ma possono causare infertilità
Disomia uniparentale
Sindrome di Prader-Willi
Entrambi i cromosomi (15) sono ereditati dalla madre
Sindrome di Angelman
Entrambi i cromosomi sono ereditati dal padre
imprinting genomico
In alcuni casi l’espressione di alcuni geni può
variare secondo se sono stati ereditati per via
paterna o materna. Questa espressione
differenziale viene definita “imprinting
genomico”
L’analisi delle mutazioni permette di:
• Identificare gli
presintomatica
individui
in
fase
• Individuare gli eterozigoti a rischio di
trasmettere una malattia genetica
• Effettuare la diagnosi prenatale
• Comprendere le basi genetiche delle
malattie complesse più comuni
