Diversità. Variabilità genetica. Selezione naturale

Transcript

1 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

2 Evoluzione

3 Variabilità genetica Selezione naturale Diversità Nuovi modi di sfruttare efficacemente l ambiente Competizione con le altre specie Riprodursi con successo

4 La variabilità genetica causa la formazione di nuove specie I meccanismi fondamentali che provocano variabilità genetica sono: Le mutazioni La riproduzione sessuale

5 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

6 Classificazione Mutazioni geniche Mutazioni cromosomiche Numero di nucleotidi coinvolti (1 nucleotide 1 cromosoma)

7 Effetti delle mutazioni geniche Perdita o Acquisto della funzione Nessun effetto Un miglioramento della funzione

8 Perdita o Acquisto della funzione A A A1

9 Nessun effetto sulla proteina A A A1

10 Un miglioramento della funzione A A A1

11 Cicli ripetuti di errori e prove Evoluzione Il caso e la necessità A1 B1 A B A2 B2 A1 soluzione ottimale A2 soluzione indifferente peggiore di A1 B1 soluzione letale B2 soluzione indifferente

12 L insorgenza delle mutazioni è identica in tutto il genoma????

13 Alcune parti del genoma cambiano più facilmente di altre nel corso dell evoluzione Hot spot di mutazioni Funzione svolta da una determinata regione genomica

14 Le regioni altamente conservate e corrispondono a regioni funzionalmente importanti geni che codificano per proteine o per RNA essenziali regioni di regolazione

15 Rimangono perfettamente riconoscibili in tutte le specie viventi e sono quelli che dobbiamo utilizzare se vogliamo ricercare relazioni di parentela tra i diversi organismi

16 RNA ribosomiale

17 PROTEIN SEQUENCES ALIGNMENT

18 Evoluzione molecolare

19 Classificazione Mutazioni geniche

20 Mutazioni somatiche e germinali

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22 Localizzazione Extragenica Promotore Introni Siti di splicing Sequenza codificante

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24 CDS

25 Le conseguenze che una mutazione genica avrà sull organismo dipendono: Variazione qualitativa Variazione quantitativa

26 Le mutazioni geniche che determinano una variazione quantitativa o qualitativa di una proteina possono causare la comparsa di un fenotipo patologico

27 Mutazioni puntiformi Sostituzione (missense mutations; nonsense mutations) Inserzione o Delezione (frameshift mutations)

28 Sostituzioni DNA Transizioni Purina-purina o pirimidina pirimidina Transversioni Purina pirimidina o pirimidina - purina

29 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

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31 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.

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34 Alterazioni dello splicing 11_11_2.jpg

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36 5 UTR 3 UTR

37 Effetto di alcune mutazioni sull mrna e sulla proteina

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40 Mutazioni dinamiche Espansioni di triplette

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44 X fragile (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) permette di individuare anche gli individui con la premutazione.

45 Malattia di Huntington (143100) Frequenza: 5-10/ 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 volte. Nei pazienti affetti il numero di ripetizioni varia da 36 a più di 100. Un numero intermedio di espansioni 30-35volte, è considerato una premutazione. Diagnosi: Il test genetico si basa sulla determinazione del numero di espansione della tripletta.

46 Mutazioni - Polimorfismi Con il termine polimorfismo intendiamo delle variazioni della sequenza nucleotidica che si presentano con una frequenza maggiore dell 1%

47 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.

48 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)

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51 Year Disease MIM n Location Gene Chromosome abnormality 1986 Duchenne muscular dystrophy Xp21.3 DMD (a) del(x)(p21.3) (b) t(x;21)(p21.3:p13) Retinoblastoma q14 RB del(13)(q13.1q14.5) 1989 Cystic fibrosis q31 CFTR None 1990 Neurofibromatosis q11.2 NF1 Balanced translocations t(1;17)(p34.3:q11.2) t(17;22)(q11.2:q11.2) Wilms' tumor p13 WT1 del(11)(p14p13) 1991 Aniridia p13 PAX6 t(4;11)(q22;p13) del(11)(p13) Familial polyposis coli q21 APC del(5)(q15q22) Fragile-X syndrome Xq27.3 FMR1 FRAXA fragile site Myotonic dystrophy q13.3 DMPK None 1993 Huntington's disease p16 HD None Tuberous sclerosis p13 TSC2 Microdeletions in candidate region von Hippel-Lindau disease p25 VHL Microdeletions in candidate region 1994 Achondroplasia p16 FGFR3 None Early-onset breast/ovarian q21 BRCA1 None cancer Polycystic kidney disease p13.3 PKD1 t(16;22) (p13.3;q11.21) Spinal muscular atrophy q13 SMN1 None

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54 Polimorfismi Sono stati utilizzati inizialmente come marcatori genetici Associazione tra un fenotipo patologico ed un polimorfismo

55 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.

56 Variations Causing Harmful Changes

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58 Variations Causing No Changes

59 Variations Causing Harmless Changes

60 However, scientists are now learning that many polymorphisms actually do affect a person's characteristics, though in more complex and sometimes unexpected ways.

61 Variations Causing Latent Changes Finally, there are genetic variations that have "latent" 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.

62 Differente risposta a specifiche terapie

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64 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.

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67 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.

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69 MUTAZIONI CROMOSOMICHE Di numero (Aneuploidie Monosomie Trisomie) Di struttura (Delezioni, inserzioni, traslocazioni, inversioni)

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78 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

79 Delezioni del braccio corto del cromosoma 5

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84 Cromosomi acrocentrici 13, 14, 15, 21,22

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94 Duplicazioni o delezioni Acquisto o Perdita di materiale genetico Di solito comportano alterazioni fenotipiche

95 Inversioni o traslocazioni Trasferimento di materiale genetico Spesse volte non comportano alterazioni fenotipiche ma possono causare infertilità

96 Disomia uniparentale Sindrome di Prader-Willi Entrambi i cromosomi (15) sono ereditati dalla madre Sindrome di Angelman Entrambi i cromosomi sono ereditati dal padre

97 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

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100 L analisi delle mutazioni permette di:

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102 Identificare gli individui in fase presintomatica Individuare gli eterozigoti a rischio di trasmettere una malattia genetica Effettuare la diagnosi prenatale Comprendere le basi genetiche delle malattie complesse più comuni