L ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA

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1 L ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA GENI E GENOMI MUTAZIONI GENICHE ALTERAZIONI DEL CARIOTIPO

2 L ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA 2001 Febbraio :Sequenzaa completa genoma umano, prodotta dall Internationall Human Genome Sequencing Consortium e Venter et al (compagnia privata) 2010: Sequenza completa genoma di circa 400 specie

3 Geni e Genomi GENOMA L ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA Genoma aploide(gametico) Drosophila melanogaster - circa 1,5 x10 8 bp Genoma aploide(gametico) umano- circa 3,2 x10 9 bp Genoma aploide(gametico) anfibi cento volte il contenuto DNA umano Genoma eucariote unicellulare Amoeba dubia 200 volte quello umano CROMOSOMA Molecola DNA strettamente avvolta GENE sequenza di acido nucleico (DNA o, in alcuni virus, RNA) che codifica un prodotto che, da solo, o in combinazione con altri prodotti, ha una funzione distinta all interno di un organismo. La variazione a livello della sequenza delle coppie di basi può o non può essere riflessa nella sequenza o nelle proprietà funzionali del prodotto. Un locus è un sito su un cromosoma, o il gene che occupa un sito. Alleli, forme diverse del gene Trascrizione geni: regioni di controllo, sequenze non trascritte

4 Diagramma di gene eucariote, del suo trascritto primario (pre-mrna), e dell'mrna maturo. Splicing alternativo (diversità!) Il 35% dei geni umani sembra essere soggetto a splicing alternativo

5 Il codice genetico, come espresso nell'rna messaggero.

6 L ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA

7 L ORIGINE DELLA VARIAZIONE GENETICA La gran parte del DNA non viene trascritto 28% genoma umano trascritto (ma consiste anche di introni) 5% genoma codifica per proteinee 45% genoma umano sequenze ripetitive (4,3 milioni di elementi) Geni che codificano per proteine sono me embri di famiglie geniche: gruppi di geni con sequenza simile e funzione collegata, che derivano da un comune gene ancestrale Sequenze ripetitive in tandem, DNA satellite Pseudogeni: gene non codificante di una famiglia genica DNA satellite regolare: mini e microsatelliti Short and long interspersed nuclear elements (SINE; LINE) DNA ripetitivo sparso che va incontro trasponibili a processi di trasposizione: elementi

8 Regioni neutrali del genoma Il nostro genoma è costituito approssimativamente dal 95% di DNA non codificante Esoni Introni Ψ gene α-globulina μ-satellite β-globulina mini - satellite emoglobina Le regioni neutrali non codificano per le proteine

9 Regioni neutrali del genoma Poichè non codificano per una proteina, la selezione naturale è assente o debole in queste regionii Le regioni neutrali del DNA tendono perciò ad accumulare mutazioni più velocemente delle regioni codificanti Esoni Introni Ψ gene α-globulina μ-satellite β-globulina mini - satellite emoglobina Le regioni neutrali non codificano per una proteina

10 Regioni neutrali del genoma Gli Pseudo-geni sono copie inattivate di geni funzionali. Esoni Introni α-globulina α-globulina μ-satellite β-globulina mini - satellite mutazione emoglobina Esoni Introni Ψ gene α-globulina μ-satellite β-globulina mini - satellite emoglobina Le regioni neutrali non codificano per una proteina

11 Regioni neutrali del genoma Il DNA Mini-satellite è DNA ripetitivo costituito da sequenze ripetute lunghe 15 bp DNA fingerprinting spesso utilizza queste regioni Esoni Introni Ψ gene α-globulina μ-satellite β-globulina mini - emoglobina satellite Le regioni neutrali non codificano per una proteina

12 Regioni neutrali del genoma Il DNA Micro-satellite è DNA ripetitivo costituito da sequenze ripetute lunghe 2-4 bp. Queste sono spesso molto variabili Esoni Introni Ψ gene α-globulina μ-satellite β-globulina mini - satellite emoglobina Le regioni neutrali non codificano per una proteina

13 La famiglia genica delle globine dell'emoglobina umana ha due sottofamiglie, α (verde) e β (blu), situate su cromosomi diversi. (a) Ogni gene funzionale è indicato da tre linee, che rappresentano i suoi tre esoni. Gli pseudogeni sono indicati con ψ. (b) Un albero filogenetico per la famiglia genica delle globine dell'emoglobina, con la mioglobina come outgroup.

14 Le Diverse Regioni del DNA Le regioni codificanti non sono neutrali Esoni Introni Ψ gene α-globulina μ-satellite β-globulina mini - satellite emoglobina Le regioni neutrali non codificano per una proteina

15 Nelle regioni codificanti Alcuni cambiamenti sono neutrali Alcuni cambiamenti non sono neutrali

16 Le mutazioni causano differenze nella sequenza aminoacidica A U G U A C C G A C U G A U C C A A U G C A A G C A C U A A Start-Tyr-Arg-Leu-Ile-Gln-Cys-Arg-Pro-Stop Questa mutazione risulta in una sostituzione aminoacidica Start-Tyr-Arg-Met-Ile-Gln-Cys-Arg-Pro-Stop A U G U A C C G A A U G A U C C A A U G C A A G C A C U A A

17 Molte Mutazioni non hanno effetto a causa della ridondanza del codice genetico A U G U A C C G A C U G A U C C A A U G C A A G C A C U A A Start-Tyr-Arg-Leu-Ile-Gln-Cys-Arg-Pro-Stop Questa mutazione non provoca una sostituzione aminoacida Start-Tyr-Arg-Leu-Ile-Gln-Cys-Arg-Pro-Stop A U G U A C C G A C U C A U C C A A U G C A A G C A C U A A

18 Tasso di evoluzione e posizione nel codone La prima posizione è la più conservata Un cambiamento comporta quasi sempre una sostituzione aminoacidica La terza posizione Un cambiamento frequentemente non causa una sostituzione aminoacidica è la meno conservata

19 Tipi di mutazione: a) a) Mutazioni puntiformi: sostituzione di una base Transizioni: pirimidina con pirimidina (C-T o T-C) purina con purina (A-G o G-A) Le transizioni sono spesso silenti (Mutazioni sinonime o silenti), la maggior parte avvengono nella terza posizione. Transversioni: purina con pirimidina o viceversa (C-A o T-G o T-A o C-G) Le transversioni portano più spesso delle transizioni alla sostituzione dell aminoacido corrispondente (Muta azioni non sinonime) b) Mutazioni frameshift: inserzioni e delezioni brevi inserzioni o delezioni di basi in una sequenza di DNA. Se avvengono in regioni codificanti porteranno ad avere un aminoacido in più o in meno se il numero di basi inserite è un esatto multiplo di tre, altrimenti provocheranno uno slittamento nella lettura durante la formazione dell mrna.

20 MUTAZIONI GENICHE Transversione A-T Esempi di mutazioni puntiformi e le loro conseguenze per l'rna messaggero e la sequenza aminoacidaa (slittamento nella replicazione/replication slippage) DIVERSITA!

21 CAMBIAMENTI ORIGINATI PER RICOMBINAZIONE Ricombinazione intra-genica: origina nuove sequenze quando avviene l allineamento tra sequenze omologhe che differiscono per due o più coppie di basi Conversione genica: gameti di un diverse eterozigote si ritrovano in proporzioni Crossing-over ineguale: può avvenire tra due sequenze o cromosomi omologhi non perfettamente allineati.

22 CAMBIAMENTI NELLA SEQUENZA NUCLEOTIDICA CHE SI ORIGINANO PER RICOMBINAZIONE Il crossing-over ineguale, origina spesso tra sequenze che includono ripetizioni:..abbc ABBC

23 CAMBIAMENTI CAUSATI DA ELEMENTI TRASPONIBILI 1) I retrotrasposoni non-ltr (2) I retrotrasposoni (3) I retrovirus Alcuni tipi di elementi trasponibili. (a) elementi trasponibili di DNA sono fiancheggiati da sequenze ripetitive invertite. (b) i retroelementi includono un gene (RT) che codifica la trascrittasi inversa: trascritti in RNA, poi (retro-) trascritto (trascritto in modo nverso) in DNA copia (cdna),che si inserisce nel genoma.

24 Ricombinazione tra copie di elementi trasponibili: delezioni e inversioni a) ricombinazione tra due sequenze ripetitive dirette b) ricombinazione tra due sequenze ripetitive invertite

25 Effetti sul genoma causati da elementi trasponibili - inseriti regione codificante: alterazione e distruzione della proteina - inseriti regione di controllo: interazione con l espressione genica - aumentano tasso mutazion ne - causano riarrangiamenti nel genoma - inseriscono cdna (DNA com anche di altri trascritti - accrescono dimensioni genoma mplementare sintetizzato da RNA maturo)

26 ESEMPI DI MUTAZIONE: geni coinvolti nell evoluzionee di specifiche caratteristiche Filogenesi degli Hominoidea e la sua divergenza da un outgroup, il topo. (in giallo sostituzioni non sinonime nel gene FOXP2 che codifica per un fattore di trascrizione). Causa disordini nella parola e articolazione del linguaggio. -90 milioni di anni fa: topo orango; - 7 milioni di anni fa scimpanzè uomo. Possono rappresentare mutazioni importanti nell evoluzione della parola e del linguaggio (Zhang et al.2002, Enard et al.2002)

27 TASSI DI MUTAZIONE Tasso di mutazione è misurato come numero di origini indipendenti per copia del gene (es. per gamete) per generazione o per unità di tempo (es. per anno) Metodi per stimare i tassi di mutazione: Su base fenotipica (genetica classica, effetto fenotipico della mutazione) Su base molecolare, espressi per coppie di basi. Es. tasso di mutazione ad un locus per gamete per generazione Metodo diretto: n di mutazioni che insorgono in ceppi di laboratorio. Metodo indiretto: n di differenze di coppie di basi tra geni omologhi in diverse specie, in relazione al numero di generazioni passate, dalla divergenza dal loro più recente antenato comune. Esempi: per replicazione nei procarioti 10-9 per generazione sessuale negli eucarioti 4,8x 10-9 per coppia di basi per generazione nel genoma umano RETROMUTAZIONI- mutazione di un allele mutante nell allele da cui ha avuto origine. Tasso molto inferiore alle mutazioni in avanti.

28 Tassi di mutazione spontanea di specifici geni Specie,locus Drosophila melanogaster Occhi bruni Senza occhi mutazioni stimate x cellule o 3 6 Homo sapiens Retinoblastinoma Acondroplasia 1,2-1,3 4,2-4,3 Tasso di mutazione per gamete per generazione di circa

29 IMPLICAZIONI EVOLUTIVE Con tassi così bassi di mutazione come può avvenire l evoluzione? Genoma umano 6,6 x10 9 bp, tasso m. 2,4 x10-9 bp per anno (una gener. =20 anni) 2,5 % sequenze genomiche trascritte funzionali, 7 mutazioni saranno espresse Altre stime nell uomo ad es. in una popolazione di esseri umani, nuove mutazioni compaiono ad ogni generazione

30 Effetto dell'accumulo di mutazioni spontanee per la sopravvivenza dall'uovo all'adulto di Drosophila melanogaster.

31 EFFETTI DEI MUTAGENI Tassi di mutazione nel topo, stimati dalle sequenze di DNA in 2 loci della prole. Aumento del tasso di mutazione siti urbani-industrializzati (Sommers et al. 2004)

32 MUTAZIONI NEI MASTER CONTROL GENE Capo di moscerino che porta la mutazione Antennapedia (complesso di geni Hox che conferiscono identità ai segmenti del corpo) Effetto fenotipico delle mutazioni omeotiche che fanno deviare il processo di sviluppo da un percorso a un altro.

33 EFFETTI DELLE MUTAZIONI SULLA FITNESS Distribuzione di frequenza cumulate degli effetti di una nuova mutazione sulla fitnesss del batterio Escherichia coli e del lievito Saccharomyces cerevisiae.

34 AA andati incontro a sostituzioni, in giallo AA in rosso influenzano la fitness AA in celeste determinano le differenze tra due ceppi Sostituzioni in popolazioni sperimentali di ceppi di batteriofagi, che come quelli naturali si adattano a specie di batterio ospite ad alta temperatura. Delle molte sostituzioni aminoacidiche molte si verificavano ad un piccolo numero di siti nucleotidici, e di queste molte corrispondevano a quelle trovate in natura. L EVOLUZIONE DI QUESTI FAGI PUO SEGUIRE UN CERTO NUMERO DI PERCORSI

35 LIMITI: MUTAZIONE COME PROCESSO CASUALE le m. possono causare alterazioni di tratti preesistenti. La direzione è limitata Possono essere vantaggiose ed interessaree solo pochi geni La rarità delle mutazioni può aiutare a spiegare perché i viventi non si sono adattati ad un più ampio spettro di ambienti Le mutazioni avvengono a caso, anche se non tutte le possibili mutazioni possono avvenire (vedi differenze nei tassi di m.) 1) Potremmo poter predire la probabilità che una certa m, avvenga, ma non si può conoscere quale copia del gene, tra le molte presenti nella popolazione, andrà incontro a mutazione. 2) La probabilità che compaia una mutazione non è influenzata dal fatto che la mutazione possa o meno essere vantaggiosa per l organismo nell ambiente in cui vive. L AMBIENTE NON INDUCE MUTAZIONI ADATTATIVE ALTERAZIONI DEL CARIOTIPO

36 Il metodo del replica plating, usato da Lederberg per mostrare che la mutazione per la resistenza alla penicellina avviene spontaneamente, prima dell'esposizione alla penicellina, piuttosto che essere indotta dall'esposizione a questa sostanza.

37 Alterazioni del cariotipo Poliploidia: presenza di più set (>2) di cromosomi omologhi. In una specie diploide vengono prodotti occasionalmente gameti diploidi, ovvero non avviene la riduzione dei cromosomi durante la meiosi. L unione, per esempio, di un gamete non ridotto (con 2N cromosomi) e di un gamete ridotto (con N cromosomi), produrrà uno zigote triploide. La poliplodia si distingue in autopoliploidia allopoliploidia

38 AUTOPOLIPLOIDIA I cromosomi provengono tutti dalla stessa specie E causata dalla fusione di un gamete diploide con un normale gamete aploide AA AA AA A AAA ALLOPOLIPLOIDIA I cromosomi provengono da specie diverse E causata dall ibridazione fra specie affinii AA A BB B L allotetraploidia può essere la causa della formazione di nuove specie: set di cromosomi non omologhi non possono formare sinapsi durante la meiosi. Se entrambi i set sono doppi, tutti i cromosomi hanno il loro omologo e la meiosi può avvenire AB AB AABB

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40 Iris setosa N=18, 2N=36 Iris virginica N=36, 2N=72 I. Versicolor N= =54, 2N=108

41 La variazione genetica può essere generata da alterazioni cromosomiche Monosomia e Trisomia: l inseparabilità dei cromosomi può portare alla formazione di copie extra di cromosomi in alcuni gameti e alla perdita di cromosomi in altri gameti. Questa alterazione è spesso letale Trisomia nell uomo

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43 La traslocazione reciproca tra due cromosomi non omologhi

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45 Inversioni A) Cromosomi fusi nelle cellule delle ghiandole salivari di Drosophila, visibili al microscopio elettronico. B) schematizzazione del loop in (A): due cromosomi omologhi differiscono per una inversione della regione C-I. Il crossing over fra i due cromatidi (fra F e G) origina prodotti privi di centromero o di blocchi di geni.

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