Principi di genetica - Robert J. Brooker
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SOLUZIONI AI PROBLEMI DEL CAPITOLO 16
Domande Concettuali
C1.
A. G → A, una transizione
B. T → G, una transversione
C. Delezione di un singolo nucleotide
D. C → G, costituisce una transversione
C2. Si tratta di una mutazione genica, una mutazione puntiforme, una sostituzione di una base, una
transizione, una mutazione deleteria, un allele mutante, una mutazione non senso, una mutazione
condizionale e una mutazione letale temperatura-sensibile.
C3. Una mutazione soppressoria sopprime gli effetti fenotipici di qualche altra mutazione. I
soppressori intragenici sono presenti all’interno dello stesso gene colpito dalla prima mutazione. I
soppressori intergenici sono in un altro gene.
C4.
A. Potrebbe inibire la funzione della proteina, in modo particolare se non si trova vicino al termine
della sequenza codificante.
B. Potrebbe influire o meno sulla funzione della proteina, in base alla natura della sostituzione
dell’aminoacido e nel caso che cada in una regione critica della proteina.
C. Potrebbe aumentare la quantità di proteina funzionale.
D. Potrebbe influire sulla funzione della proteina se l’anomalia nello splicing modifica un esone
dell’mRNA, da cui deriva la produzione di una proteina con una struttura alterata.
C5. I raggi X non hanno prodotto una mutazione, poiché una mutazione è un cambiamento
ereditabile del materiale genetico. In questo caso, i raggi X hanno provocato la morte della cellula,
per cui i cambiamenti nella struttura del DNA non possono essere trasmessi da cellula a cellula o
dal parentale alla progenie.
C6.
A. Non è appropriato, poiché la seconda mutazione è in un codone diverso.
B. Appropriato.
C. Non è appropriato, poiché la seconda mutazione è nello stesso gene della prima mutazione.
D. Appropriato.
C7. Un soppressore non senso efficiente con molta probabilità inibirebbe la crescita cellulare,
poiché tutti i geni che possiedono i loro codoni di stop nella posizione corretta produrrebbero delle
proteine troppo lunghe. Questo provocherebbe uno spreco di energia cellulare e, in alcuni casi, la
proteina troppo lunga potrebbe non funzionare correttamente.
C8.
A. Silente, poiché GGA e GGT codificano lo stesso aminoacido (glicina).
B. Mutazione di senso, poiché CGA codifica un aminoacido diverso rispetto a GGA.
C. Mutazione di senso, poiché GTT codifica un aminoacido diverso rispetto a GAT.
D. Mutazione frameshift, poiché viene inserita nella sequenza una base aggiuntiva.
C9. Ecco due possibili esempi:
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Le sequenze consenso di molti promotori batterici sono -35: 5’-TTGACA-3’ e -10: 5’-TATAAT-3’.
Ci si aspetta che la maggior parte delle mutazioni che alterano la sequenza consenso diminuisca il
tasso di trascrizione. Per esempio, una mutazione che modifica la regione -35 in 5’-GAGACA-3’
farebbe diminuire la trascrizione.
La sequenza 5’-TGACGTCA-3’ viene riconosciuta dal fattore di trascrizione CREB. Se questa
sequenza venisse modificata in 5’-TGAGGTCA-3’, la proteina CREB non la riconoscerebbe in
maniera esatta, e il gene adiacente non sarebbe regolato correttamente in presenza di cAMP.
C10. Una possibilità è che una traslocazione sposti un gene vicino a una regione eterocromatica di
un altro cromosoma, e in questo modo diminuisca la sua espressione; oppure potrebbe spostarlo
vicino a una regione eucromatica e aumentare la sua espressione. Un’altra possibilità è che il punto
di rottura della traslocazione sposti il gene vicino a un nuovo promotore o sequenze regolatrici che
possono influenzare l’espressione del gene stesso.
C11. E’ più probabile che le mutazioni casuali siano dannose, piuttosto che favorevoli. I geni di
ogni specie si sono evoluti per funzionare correttamente. Possiedono dei promotori funzionali, delle
sequenze codificanti, dei terminatori, e così via, che permettono ai geni di essere espressi. E’ più
probabile che le mutazioni distruggano queste sequenze. Per esempio, delle mutazioni all’interno di
una sequenza codificante possono produrre dei codoni di stop prematuri, delle mutazioni frameshift
e delle mutazioni di senso che si traducono in un polipeptide non funzionale. In rare occasioni,
tuttavia, le mutazioni sono favorevoli; possono produrre un gene che viene espresso meglio rispetto
al gene originale, o possono produrre un polipeptide che funziona meglio.
C12.
A. No; non è stata alterata la posizione (ossia la localizzazione cromosomica) del gene.
B. Sì; l’espressione del gene è stata alterata poiché è stato spostato in una nuova posizione
cromosomica.
C. Sì; l’espressione del gene è stata alterata, poiché è stato spostato in una nuova posizione
cromosomica.
C13. Si, un individuo malato di cancro può essere considerato un mosaico genetico. Il tessuto
tumorale contiene delle mutazioni geniche che non sono presenti nelle cellule normali del corpo.
C14. Se una mutazione avvenuta nella linea germinale viene trasmessa alla progenie, nella progenie
tutte le cellule del corpo porteranno la mutazione. Una mutazione somatica influisce solo sulle
cellule somatiche in cui viene originata, e su tutte le cellule figlie che la cellula somatica genera. Se
una mutazione somatica insorge precocemente durante lo sviluppo embrionale, questa può colpire
una regione abbastanza estesa dell’organismo. Dato che le mutazioni nella linea germinale
colpiscono l’intero organismo, queste sono potenzialmente più dannose (o favorevoli), ma non
sempre. Le mutazioni somatiche possono causare effetti alquanto dannosi, come l’insorgenza del
cancro.
C15. Il disegno dovrebbe illustrare l’associazione di un gruppo metilico o etilico a una base del
DNA. La presenza del gruppo alchilico distrugge il corretto appaiamento delle basi tra la base
alchilata e la base normale nel filamento di DNA opposto.
C16. Un dimero di timina può interferire con la replicazione del DNA, poiché la DNA polimerasi
non può oltrepassare il dimero e aggiungere le basi al filamento nascente. I mutageni alchilanti
come l’acido nitroso comportano la formazione di errori nell’appaiamento delle basi durante la
replicazione del DNA. Per esempio, una citosina alchilata si appaierà con un’adenina durante la
replicazione, creando in questo modo una mutazione nel filamento neosintetizzato. Un terzo
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esempio è costituito dal 5-bromouracile, che è un analogo della timina. Questo si può appaiare con
la guanina invece che con l’adenina durante la replicazione del DNA.
C17.
A. L’acido nitroso causa le mutazioni A → G e C → T, che sono transizioni.
B. Il 5-bromouracile causa le mutazioni G → A, che sono transizioni.
C. La proflavina causa delle piccole aggiunte o delezioni, che possono produrre mutazioni
frameshift.
C18. Con le malattie da espansione di una sequenza ripetuta la ripetizione trinucleotidica si allunga.
Se un individuo è moderatamente affetto da una patologia di questo tipo, potrebbe preoccuparsi del
fatto che l’espansione della ripetizione possa avvenire durante la formazione dei gameti, generando
dei figli affetti dalla malattia in modo più severo, un fenomeno chiamato anticipazione. Questo
fenomeno può dipendere dal sesso del genitore colpito dalla patologia.
C19. Una mutazione spontanea si origina all’interno di una cellula. Questa può essere dovuta alla
presenza di cambiamenti spontanei nella struttura dei nucleotidi, di errori nella replicazione del
DNA o di prodotti del metabolismo normale che possono alterare la struttura del DNA. Le cause
delle mutazioni indotte stanno all’esterno della cellula. Queste possono essere rappresentate da
agenti fisici, come la luce UV o i raggi X, o da sostanze chimiche che agiscono come mutageni. Sia
le mutazioni spontanee che quelle indotte possono causare un fenotipo deleterio, come il cancro. In
molti casi, le mutazioni indotte sono evitabili se l’individuo previene l’esposizione ai mutageni
ambientali.
C20. Secondo la teoria della mutazione casuale, le mutazioni spontanee possono insorgere in un
qualunque gene e questo non implica l’esposizione dell’organismo ad un particolare ambiente che
seleziona specifici tipi di mutazioni. Tuttavia, la struttura della cromatina può rendere alcune
regioni del DNA più suscettibili alle mutazioni casuali. Per esempio, il DNA in una conformazione
aperta può essere più accessibile ai mutageni, ed è più probabile che insorgano mutazioni. In
maniera simile, i punti caldi – le regioni di un gene che mostrano una probabilità di mutare più alta
rispetto ad altre regioni – possono trovarsi all’interno di un gene. Inoltre, un’altra ragione per cui
alcuni geni mutano con un tasso più alto di altri è che sono più estesi, cosa che fornisce una
maggiore probabilità di insorgenza di mutazioni.
C21. L’acido nitroso può modificare la citosina in uracile. Il sistema di riparazione per escissione
potrebbe rimuovere il danno e sostituirlo con la base corretta.
C22. I sistemi di riparazione per escissione potrebbero correggere questo danno. Inoltre, anche la
riparazione per ricombinazione omologa potrebbe riparare il danno.
C23.
A. Vero.
B. Falso; le espansioni di ripetizioni trinucleotidiche non sono all’interno del promotore, ma
all’interno della sequenza codificante.
C. Vero; CAG è il codone della glutammina.
D. Falso; CCG è il codone della prolina.
C24. Anticipazione significa che le ripetizioni coinvolte in queste patologie si espandono
ulteriormente nelle generazioni future. L’anticipazione potrebbe dipendere dal sesso del genitore
colpito dalla malattia.
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C25. Il tasso di mutazione è il numero di nuove mutazioni per gene per generazione. La frequenza
di mutazione è il numero di copie di un gene mutante all’interno di una popolazione, diviso per il
numero totale di copie del gene (mutanti e non mutanti). La frequenza di mutazione può essere
molto più elevata rispetto al tasso di mutazione, se delle nuove mutazioni si accumulano all’interno
di una popolazione nel corso di molte generazioni.
C26. La frequenza di mutazione è il numero totale degli alleli mutanti diviso il numero totale degli
alleli nella popolazione. In 1 422 000 bambini, vi sono 2 844 000 copie del gene (poiché ogni
bambino possiede due copie). La frequenza di mutazione è 31/2 844 000, che è uguale a 1,09 x 10-5. Il
tasso di mutazione è il numero delle nuove mutazioni per generazione. Vi sono 13 bambini i cui
genitori non sono affetti da acondroplasia; quindi, le nuove mutazioni sono 13. Se calcoliamo il
tasso di mutazione come il numero di nuove mutazioni in un particolare gene per generazione,
dovremmo dividere 13 per 2 844 000. In questo caso, il tasso di mutazione sarebbe 4,6 x 10-6.
C27.
A.
Prima fase di replicazione
Seconda fase di replicazione
B.
C28. Gli effetti delle mutazioni sono cumulativi. Se una mutazione insorge in una cellula, questa
mutazione verrà trasmessa alle cellule figlie. Se una mutazione insorge in una cellula figlia, si
avranno due mutazioni. Queste verranno trasmesse alle cellule figlie della generazione successiva e
così via. L’accumulo di molte mutazioni può infine uccidere le cellule. Ecco perché i mutageni sono
più efficaci nel colpire le cellule in divisione rispetto a quelle quiescenti. La motivazione sta nel
fatto che il numero di mutazioni si accumula fino a una soglia che risulta letale.
Vi sono due effetti collaterali importanti in questo trattamento. In primo luogo, alcune cellule
normali (non cancerose) del corpo, in modo particolare le cellule della pelle e quelle intestinali, si
dividono in maniera attiva. Anche queste cellule vengono colpite dalla chemioterapia e dalla
radioterapia. In secondo luogo, è possibile che la terapia produca delle mutazioni che causano la
trasformazione di cellule non cancerose in cellule cancerose. Per questi motivi, viene raccomandata
una dose massima di chemioterapia o radioterapia.
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C29. La risposta è il 5-bromouracile. Se questa sostanza chimica viene incorporata nel DNA, può
modificare una coppia di basi AT in una coppia CG. Con questa sostanza chimica, il codone della
lisina, AAG, potrebbe essere trasformato in un codone dell’acido glutammico, CAG. In confronto,
ci si aspetta che la luce UV produca dei dimeri di timina, che non porterebbero a mutazione creando
un codone dell’acido glutammico, mentre ci si aspetta che la proflavina causi una mutazione
frameshift.
C30.
A. Sì.
B. No; l’albinismo colpisce l’intero individuo.
C. No; il carattere “produzione anticipata di mele” colpisce l’intero albero.
D. Sì.
C31.
A. Se UvrA fosse assente, il sistema di riparazione non sarebbe in grado di identificare il segmento
di DNA danneggiato.
B. Se UvrC fosse assente, il sistema di riparazione potrebbe identificare il segmento danneggiato,
ma non sarebbe in grado di inciderlo.
C. Se UvrD fosse assente, il sistema di riparazione potrebbe identificare il segmento danneggiato ed
inciderlo, ma non sarebbe in grado di svolgere il filamento danneggiato da quello intatto e di
conseguenza di rimuovere il tratto danneggiato.
D. Se la DNA polimerasi fosse assente, il sistema di riparazione potrebbe identificare il segmento
danneggiato, inciderlo e separare il filamento danneggiato da quello intatto per rimuovere il primo,
ma non sarebbe in grado di sintetizzare il filamento di DNA complementare utilizzando quello
intatto come stampo.
C32. La riparazione degli appaiamenti errati è volta all’eliminazione degli appaiamenti scorretti che
possono essere insorti durante la replicazione del DNA. In questo caso, la base sbagliata si trova nel
filamento neosintetizzato. Il legame di MutH, che avviene a livello della sequenza emimetilata,
fornisce un meccanismo di rilevazione per distinguere tra i filamenti metilati e non metilati. In altre
parole, MutH si lega al DNA emimetilato in modo tale che il sistema di riparazione degli
appaiamenti errati possa distinguere quale filamento sia metilato e quale no.
C33. I due principali meccanismi con cui le cellule possono riparare le rotture a doppio filamento
sono la ricombinazione omologa (HRR) e la giunzione delle estremità non omologhe (NHEJ). Nella
ricombinazione omologa, un segmento integro del cromatidio fratello viene utilizzato come stampo
per riparare una rottura a doppio filamento nel cromatidio fratello danneggiato. Le fasi di questo
meccanismo di riparazione vengono illustrate nella Figura 16.17. Durante la giunzione delle
estremità non omologhe, le due estremità rotte del DNA vengono semplicemente ricostruite (vedi la
Figura 16.18).
C34. Dato che i cromatidi fratelli sono geneticamente identici, un vantaggio della ricombinazione
omologa è che essa può rappresentare un meccanismo fedele di riparazione delle rotture a doppio
filamento. Lo svantaggio, tuttavia, è che essa avviene solo durante la fase S e G2 del ciclo cellulare
negli eucarioti, o dopo la replicazione del DNA nei batteri. Un vantaggio della NHEJ è che non
coinvolge la partecipazione del cromatidio fratello, quindi può avvenire in ogni fase del ciclo
cellulare. Tuttavia, uno svantaggio è che la NHEJ può portare a piccole delezioni nella regione che
è stata riparata. Complessivamente, la NHEJ è un meccanismo rapido, ma incline a errori, mentre la
HRR è un metodo di riparazione più accurato ma limitato ad alcune fasi del ciclo cellulare.
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C35. La DNA N-glicosilasi inizialmente dovrebbe compiere un’incisione tra la base e lo zucchero.
Questo dovrebbe causare il rilascio della timina dal nucleotide al quale era direttamente legata, ma
la timina sarebbe ancora associata alla timina adiacente (3’). L’AP endonucleasi dovrebbe poi
produrre un’incisione in questo filamento di DNA e la DNA polimerasi dovrebbe rimuovere la
regione anomala e allo stesso tempo sostituirla con i nucleotidi normali (un processo chiamato nick
translation). Infine, il filamento dovrebbe essere saldato dalla DNA ligasi.
C36. In E. coli, la proteina TRCF riconosce quando l’RNA polimerasi è in stallo a livello del DNA.
Questo stallo potrebbe essere dovuto a un danno nel DNA, per esempio un dimero di timina. TRCF
rimuove l’RNA polimerasi e recluta nella regione il sistema di riparazione per escissione del DNA,
promuovendo così la riparazione del filamento di DNA stampo. Questa riparazione risulta
vantaggiosa nei confronti del DNA attivamente trascritto, in quanto è importante da un punto di
vista funzionale. Si tratta di una regione del DNA che codifica un gene.
C37.
A. Riparazione per escissione nucleotidica.
B. Riparazione degli appaiamenti errati.
C. Riparazione per ricombinazione e riparazione per escissione di nucleotidi.
C38. Il difetto genetico basilare che causa lo Xeroderma pigmentosum è un difetto presente in uno
dei geni che codifica un polipeptide coinvolto nella riparazione per escissione nucleotidica. Questi
individui non sono in grado di riparare anomalie nel DNA come i dimeri di timina e le basi
anomale. Perciò, essi risultano molto sensibili agli agenti ambientali come la luce UV. Dato che
queste persone soffrono di difetti nella riparazione, la luce UV causa su di loro mutazioni più
probabilmente rispetto agli individui non affetti. Per questa ragione, le persone colpite da XP
sviluppano delle anomalie nella pigmentazione, delle lesioni premaligne, e possiedono un’elevata
predisposizione al cancro della pelle.
C39. Il sistema di riparazione degli appaiamenti errati, che rileva gli errori compiuti dalla DNA
polimerasi, non funziona correttamente. Come descritto nella Figura 16.16, la proteina MutH
riconosce la sequenza GATC quando questa è emimetilata. Se un ceppo di E. coli è privo della dam
metilasi, questa sequenza non sarebbe metilata, e MutH non potrebbe legarsi ad essa. Pertanto, gli
errori, che coinvolgono l’appaiamento non corretto delle basi causato dalla DNA polimerasi, non
sarebbero riparati. Questo farebbe aumentare il tasso di mutazione spontanea in questo ceppo.
C40. Entrambi i sistemi di riparazione riconoscono un’anomalia nel DNA ed escindono il filamento
danneggiato. Il filamento normale viene poi utilizzato come stampo per sintetizzare quello
complementare. I sistemi si differenziano per il tipo di anomalie che riconoscono. Il sistema di
riparazione degli appaiamenti non corretti individua le basi appaiate in modo errato, mentre il
sistema di riparazione per escissione riconosce i dimeri di timina, le basi modificate chimicamente,
le basi mancanti e alcune tipologie di legami crociati. Il sistema di riparazione degli appaiamenti
errati agisce subito dopo la replicazione del DNA, la quale permette di distinguere tra il filamento
neosintetizzato (che contiene la base non corretta) e quello parentale. Il sistema di riparazione per
escissione può agire in ogni momento del ciclo cellulare.
Domande Sperimentali
S1. Se la teoria dell’adattamento fisiologico fosse stata corretta, le mutazioni si sarebbero dovute
verificare dopo che le cellule erano state seminate nel terreno contenente i batteriofagi T1. Dato che
in ogni piastra era stato seminato lo stesso numero di batteri, ci saremmo aspettati di osservare lo
stesso numero di colonie resistenti in tutte le piastre. Il numero di colonie resistenti non avrebbe
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dovuto dipendere dal momento di insorgenza della mutazione. Al contrario, ciò che è stato
effettivamente osservato era alquanto diverso. Se una mutazione casuale fosse insorta all’inizio
della crescita della popolazione batterica (all’interno di una singola provetta), sarebbe stato presente
un gran numero di colonie resistenti al fago sulla piastra. Se una mutazione casuale fosse insorta
tardivamente, o non fosse insorta affatto, sulla piastra si sarebbero visualizzate poche colonie o
nessuna.
S2. Quando le cellule della piastra originale sono state replicate sulle due piastre contenenti il
terreno selettivo con il fago T1, è stato possibile osservare la crescita delle colonie resistenti nelle
stesse posizioni in entrambe le piastre. Questi risultati indicano che le mutazioni sono insorte
casualmente nella piastra originale (in assenza di T1) piuttosto che come risultato dell’esposizione
al fago T1. In altre parole, le mutazioni sono eventi casuali, e le condizioni selettive possono
promuovere la sopravvivenza di ceppi mutanti che insorgono casualmente.
Per mostrare che la resistenza agli antibiotici è dovuta a una mutazione casuale, si potrebbe seguire
la stessa strategia di base con la differenza che le piastre secondarie conterranno l’antibiotico invece
del fago T1. Se la resistenza all’antibiotico compare come risultato di una mutazione casuale nella
piastra originale, ci si aspetterebbe che le colonie resistenti all’antibiotico appaiano nelle stesse
posizioni nelle due distinte piastre secondarie.
S3. L’inversione paracentrica in realtà non impedisce il crossing-over. Tuttavia, se questo avviene,
esso produce un cromosoma X acentrico e un cromosoma X dicentrico che alla fine si romperà. La
progenie che eredita queste anomalie probabilmente non sopravvivrà, quindi non è possibile
osservarla negli incroci. Il cromosoma ClB in realtà impedisce di osservare la progenie vitale, che è
il prodotto di un crossing-over tra i cromosomi X delle madri ClB.
S4. Forse i raggi X producono mutazioni che causano sterilità nelle femmine ClB. Sono molti i tipi
di mutazione che indotte nei maschi irraggiati possono venire trasmesse alla loro progenie
femminile, e alcune potrebbero impedire alle femmine ClB di essere fertili. Queste mutazioni
potrebbero interferire per esempio con l’oogenesi, e così via.
S5. Con l’esperimento di Müller non si misura il tasso di mutazione all’interno di un singolo gene.
Lungo il cromosoma X sono presenti molti geni che possono mutare producendo un fenotipo letale.
L’esperimento di Müller misura il tasso di mutazione di molti geni diversi del cromosoma X che
producono un fenotipo letale recessivo.
S6. Dovresti concludere che il composto A non è mutageno. La percentuale di femmine ClB (il cui
parentale maschile è stato esposto al composto A) che non produce progenie maschile è del tutto
simile al controllo (confronta 2 su 1402 rispetto a 3 su 2108). Invece, il composto B risulta
mutageno: la percentuale di femmine ClB (il cui parentale maschile è stato esposto al composto B)
che non produce progenie maschile è molto più elevata che nel controllo (confronta 77 su 4203
contro 3 su 2108).
S7. Le cellule aploidi sono più sensibili alla mutazione, poiché esse possiedono soltanto una singola
copia di ogni gene. Pertanto, le mutazioni recessive che inibiscono la crescita cellulare sono
facilmente rilevabili. Nelle cellule diploidi è necessaria l’insorgenza di una mutazione in entrambe
le copie dello stesso gene per rilevare i suoi effetti fenotipici.
S8. Dovresti esporre i batteri all’agente fisico. Potresti anche esporre i batteri all’estratto di fegato
di ratto, ma probabilmente questo non è necessario per due ragioni. In primo luogo, un mutageno
fisico non viene ingerito dall’individuo. Perciò, i passaggi di digestione sono probabilmente
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irrilevanti se pensi che questo agente possa essere un mutageno. In secondo luogo, non ci si aspetta
che l’estratto di fegato di ratto alteri le proprietà di un mutageno fisico.
S9. Assenza del mutageno: 17/10 000 000 = 17 x 10-7 = 1,7 x 10-6. Presenza del mutageno: 2017/10
000 000 = 2,0 x 10-4. Il mutageno aumenta il tasso di mutazione di più di 100 volte.
S10. I risultati suggeriscono che il ceppo sia mancante della riparazione per escissione. Se
confrontiamo i ceppi normali e quelli mutanti che sono stati incubati 2 ore a 37 °C, si può notare
che la maggior parte della radioattività nel ceppo normale è stata trasferita nella frazione solubile
poiché è stata escissa. Nel ceppo mutante, tuttavia, è stata trasferita nella frazione solubile una
minore quantità di radioattività, suggerendo che questo sia meno efficiente nella rimozione dei
dimeri di timina.
