LE MUTAZIONI Modificazioni ereditarie del materiale genetico

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1 LE MUTAZIONI Modificazioni ereditarie del materiale genetico

2 I diversi tipi di mutazioni Mutazioni geniche (o puntiformi) Mutazioni cromosomiche Mutazioni nel numero dei cromosomi Mutazioni nella struttura

3 Mutazione Geniche o Puntiformi Mutazione silente o stesso-senso: quando a causa della degenrazione del codice, la mutazione sostituisce una tripletta che codifica er un amminoacido con una tripletta diversa che codifica per lo stesso amminoacido. Mutazione mis-senso: a causa della degenazione del codice, la mutazione sostituisce una tripletta che codifica per un amminoacido con una tripletta diversa che pero codifica per un diverso amminoacido. Mutazione non-senso: quando una tripletta per un dato aminoacido viene modificata in una tripletta corrispondente ad un codone di terminazione della traduzione (si perde uno o piu amminoacidi).

4 Mutazioni Geniche Mutazione genica: evento per cui un gene si trasforma da una forma allelica ad un altra e il nuovo allele è ereditato secondo le leggi di Mendel. Retromutazione: mutazione da un allele anormale ad un allele standard. Mutazione morfologica: mutazione che si esprime in un alterazione della forma dell organismo. Mutazioni letali, subletali, detrimentali: mutazioni che determinano la morte, la bassissima sopravvivenza o il danneggiamento dell organismo. Mutazioni condizionali: mutazioni il cui fenotipo si manifesta solo in particolari condizioni ambientali. Mutazioni biochimiche: mutazioni che determinano la perdita o il cambiamento di un passaggio biochimico. Mutazioni nutrizionali: mutazione per cui microrganismi passano da un genotipo standard con cui è possibile la crescita con terreno minimo (prototrofi) a un nuovo genotipo in cui è richiesta la somministrazione supplementare di specifiche sostanze (auxotrofi). Mutazioni per resistenza: mutazioni che determinano la capacità di resistere a sostanze tossiche o a organismi patogeni cui invece il genotipo standard è sensibile.

5 MUTAZIONI Cambiamento che altera la costituzione fisica o chimica del DNA e che porta ad una alterazione della funzione o della produzione della proteina. Le mutazioni sono la più importante fonte di variabilità genetica nelle specie. 1) Mutazioni cromosomica: un cambiamento nell organizzazione di un cromosoma o più cromosomi 2) Mutazioni geniche: un cambiamento che avviene a livello del gene

6 Se una cellula mutata dà origine solo a cellule somatiche verrà prodotta un'area o un settore mutato, ma le caratteristiche del mutante non verranno trasmesse alle generazioni successive (mutazione somatica). Mutazioni nella linea germinale di organismi che si riproducono sessualmente possono essere trasmesse attraverso i gameti alla generazione successiva (mutazione germinale).

7 Progenie normale Mutazioni somatiche e germinali Tessuto somatico Tessuto germinale Progenie normale Mutazione somatica Clone cellulare mutante Popolazioni finali Mutazione germinale Progenie mutante Cloni cellulari mutanti Eventi mutazionali Tempo Popolazioni iniziali Mutazione tardiva Mutazione precoce

8 MUTAZIONE GENICA: BASI MOLECOLARI Una mutazione può essere trasmessa alle cellule figlie e generazioni seguenti dando origine a cellule mutate o ad individui mutati. Le mutazioni geniche (a livello della sequenza del gene) possono avvenire: - spontaneamente - indotte (trattamento con mutageni) Mutageni= agente fisico/chimico che aumenta in modo significativo la frequenza degli eventi mutazionali al di sopra del tasso spontaneo di mutazione.

9 TASSO DI MUTAZIONE E FREQUENZA DI MUTAZIONE Il tasso di mutazione misura la frequenza con cui una mutazione si origina ex novo in un unità di tempo biologico (di solito una generazione) La frequenza di mutazione misura la frequenza della mutazione in una popolazione nel momento dell osservazione

10 Negli oganismi viventi si sono evoluti alcuni sistemi enzimatici in grado di riparare i danni subiti dal DNA. Il tasso di mutazione e cosi tenuto sottocontrollo. Diversi meccanismi: - Prevenzione degli errori (ad es. enzima superodismutasi) - Reversione del danno (DNA fotoliasi che ripara I dimeri di timina indotti dagli UV) - Riparazione per escissione delle basi danneggiate (complesso di enzimi che tagliano la zona del DNA danneggiata, risintetizzano le sequenze le saldano per mezzo di DNA ligasi) - Riparazione post-replicativa (sistemi di riparazione che riconoscono gli errori una volta che la replicazione e completata).

11 Le mutazioni possono essere indotte attraverso l'uso di radiazioni e mutageni chimici Le radiazioni possono causare danni genetici rompendo i cromosomi, producendo composti chimici che alterano il DNA (come nel caso dei raggi X) o causando la formazione di legami inusuali fra le basi del DNA, quali i dimeri di timina (come nel caso dei raggi ultravioletti). La mancata riparazione dei danni genetici prodotti dalle radiazioni può indurre mutazioni o determinare la morte della cellula.

12 TIPI DI MUTAZIONE GENICA Sostituzione di una coppia di basi: -Mutazioni per transizione: una coppia di basi purina-pirimidina con un'altra coppia purina-pirimidina: AT a GC, GC a AT, TA a CG e CG a TA -Mutazioni per transversione: una coppia di basi purina-pirimidina con una coppia pirimidina-purina: AT a TA, GC a CG, AT a CG e GC a TA.

13 Le mutazioni che alterano una singola coppia di basi del DNA vengono chiamate mutazioni puntiformi. Le mutazioni possono essere anche definite in base agli effetti sulla sequenza aminoacidica della proteina: 1)missenso: sostituzione di un aa con un altro 2)nonsenso: sostituzione di un aa con un codone di stop 3)neutra: sostituzione di un aa con un altro con proprietà chimiche simili (Es: lisina arginina) 4)silente: cambiamento nel codone che non comporta un cambiamento dell aminoacido (Es: AAA=Lys con AAG=Lys) 5)Mutazione frameshift (scivolamento di fase) è il risultato di una delezione o inserzione

14 Mutazioni geniche Le mutazioni geniche o puntiformi sono dovute in gran parte alla sostituzione di una singola base nucleotidica del DNA con un altra Altri tipi di mutazione si originano in seguito alla perdita (delezione) o alla inserzione di una base nel filamento del DNA Sostituzione Delezione Inserzione

15 Mutazioni di senso. Nella maggior parte dei casi la nuova tripletta codifica per un diverso aminoacido CCU Prolina GCU Alanina La proteina avrà quindi lo stesso numero di aminoacidi ma una sequenza che differisce per un aminoacido

16 Come si è già detto, la gravità degli effetti di una sostituzione dipenderà dalla somiglianza tra l aminoacido sostituito e il nuovo e dalla posizione della sostituzione La sequenza dell emoglobina dell uomo, del maiale, del cane o differisce per parecchi aminoacidi e pur tuttavia tutte queste svolgono la funzione in modo efficiente. Alcune regioni della proteina sono molto simili anche filogeneticamente lontane (ad esempio nell emogolobina la regione dice in gergo tecnico che questa è una regione ben conservata. del cavallo emoglobine tra specie dell eme) Si D altra parte una singola sostituzione (la valina al posto di glutammato un posizione 6) che si ha nell anemia falciforme porta alla completa non funzionalità e alla morte del soggetto

17 Mutazioni nonsenso. Se il nuovo codone che si forma dalla sostituzione codifica per il segnale di stop avremo una proteina più corta della precedente (dipende dal punto in cui è avvenuta la sostituzione) AAG Lisina UAG Codone di stop

18 Mutazioni silenti. Se in seguito alla sostituzione di una base si ottiene una tripletta che specifica per lo stesso aminoacido la proteina prodotta sarà la stessa Fino a quattro diverse triplette specificano lo stesso aminoacido (il codice genetico è degenerato) Le sostituzioni silenti riguardano la terza base del codone, quella che varia tra codoni diversi che specificano lo stesso aminoacido

19 Sostituzione di Basi

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21 Inserzioni di Basi

22 Delezione o inserzione di una base (mutazioni per spostamento della griglia di lettura) Talvolta l errore consiste nell inserire una base in più nella sequenza del DNA. Altre volte durante la replicazione o durante la riparazione del DNA si ha la perdita di una base In entrambi i casi la lettura di tutta la sequenza che segue viene completamente alterata A (inserzione) A U G A G G A C U C C C G G A U U A Met Arg Thr Pro Gly Leu A U G A G G A A C U C C C G G A U U A Asp Ser Arg Iso

23 MUTAZIONI CROMOSOMICHE: caratteristiche generali Le mutazioni cromosomiche possono essere: Bilanciate: tutti i geni sono presenti nello stesso numero di copie (inversioni, traslocazioni, euploidie); Sbilanciate: alcuni geni sono presenti in un numero di copie diverso da tutti gli altri geni (duplicazioni, delezioni, aneuploidie). Stabili: hanno un elevata probabilità di essere ereditate così come sono; Instabili; hanno un elevata probabilità di originare ulteriori mutazioni.

24 ORIGINE DEI RIORDINAMENTI STRUTTURALI A B A B DELEZIONE TERMINALE (instabile) C ROTTURA C SI PERDE IL FRAMMENTO ACENTRICO A B C A B C APPAIAMENTO B A A C C B A B B C A C DELEZIONE INTERSTIZIALE (stabile) IRREGOLARE CROSSING OVER INEGUALE DUPLICAZIONE IN TANDEM (stabile)

25 Mutazioni nella struttura dei cromosomi Esistono 4 tipi principali di mutazione della struttura dei cromosomi delezione duplicazione inversione traslocazione

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27 1) Delezione. Parte del cromosoma (e quindi delle basi del DNA) viene perduta. Tutti i geni contenuti nella parte interessata dalla delezione vanno perduti e quindi non possono esprimersi nel fenotipo a b c d e f g h i l m n o p q r s t u v z 2) a b c d e f g h i l m n o p q r s v z Duplicazione. Parte del cromosoma viene duplicata. I geni contenuti nella parte interessata sono duplicati. Perciò la cellula contiene tre o quattro copie di ciascun gene. In qualche caso ciò può danneggiare la cellula in quanto i sistemi di regolazione possono essere alterati 1) a b c d e f g h i l m n o p q r s t u v z 2) a b c d e f g e f g h i l m n o p q r s t u v z

28 Inversione. In seguito ad una rottura, una parte del cromosoma viene riunita in posizione invertita. A parte i geni che si possono trovare nel punto di rottura, non ci sono gravi conseguenze per la cellula. Tuttavia non può avvenire crossing over in questa regione in quanto essa non si appaia con quella del cromosoma omologo 1) a b c d e f g h i l m n o p q r s t u v z 2) a b c d e f g h i l m n o s t u v z 3) a b c d e f g h i l m n o r q p s t u v z

29 Tralocazione. In seguito ad una rottura, una parte del cromosoma (es n 6) si stacca e viene inserito in un cromosoma diverso (es n 12). Le traslocazione possono rendere complicato l appaiamento dei cromosomi durante la meiosi 1) a b c d e f g h i l m n o p q r s t u v z A B C D E F G H I L M N O P Q R S T U V Z 2) a b c d e f g h i l m n o p q r s A B C D E F G H I L M N O P Q R S T U V Z t u v z

30 Mutazioni nel numero dei cromosomi (Aneuploidia) Monosomie e trisomie. Accade talvolta che alla meiosi i due omologhi anziché separarsi, migrino entrambi nella stessa cellula figlia (non disgiunzione). In questo modo si creano due cellule figlie, una con un cromosoma in meno e una con un cromosoma in più Dopo la fecondazione un tipo di zigote avrà 1 cromosoma omologo, l altro 3 cromosomi omologhi Monosomia Trisomia

31 Le piante (ma non gli animali) sono in grado di sopravvivere ad un raddoppio completo di tutto il cariotipo (e quindi anche ad un raddoppio dei geni), una condizione nota come poliploidia Alcune varietà della stessa specie possono avere corredo cromosomico 2n, 3n, 4n (ad es o 120 cromosomi) Nelle piante la poliploidia è un importante fattore di speciazione in quanto individui con numero cromosomico differente non possono fare tra loro figli fertili

32 Origine di mutazioni numeriche:2 AUTOPOLIPLOIDIE A-IN MITOSI Il blocco di una mitosi di una cellula Se c è un diploide blocco da nella origine prima a cellule mitosi tetraploidi uno zigote, lo zigote Il e blocco l organismo di k mitosi che ne da deriva origine a cellule con 2 k+1 n cromosomi diventano tetraploidi 4 n cromosomi duplicati DUPLICAZIONE (interfase) 2 n cromosomi duplicati BLOCCO DELLA MITOSI 4 n cromatidi

33 Origine di mutazioni numeriche:2 AUTOPOLIPLOIDIE B- MEIOSI E FECONDAZIONE Blocco di una delle due divisioni meiotiche Fecondazione multipla ZIGOTE 3 n Gamete non ridotto

34 Origine di mutazioni numeriche: 3 ALLOPOLIPLOIDIE Fecondazione interspecifica, fra specie diverse ma compatibili, con sviluppo dell ibrido MEIOSI ABORTIVE, STERILITA MEIOCITA ALLOTETRAPLOIDE MEIOSI NORMALI Zigote anfidiploide ibrido, vitale ma sterile FECONDAZIONE fra gameti anfidiploidi GAMETE ANFIDIPLOIDE ZIGOTE ALLOTETRAPLOIDE INDIVIDUO ALLOTETRAPLOIDE FECONDO

35 Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): autopoliploidia Le cellule autopoliploidi in meiosi I realizzano modalità di appaiamento irregolari: si formano trivalenti, univalenti ecc. a fianco dei normali bivalenti; di conseguenza i cromosomi segregano irregolarmente e si formano sempre gameti con aneuploidie multiple: la conseguenza è la sterilità

36 Principali Specie Agrarie Poliploidi

37 Filogenesi dei frumenti

38 Esempi di Specie Poliploidi Frutti apireni prodotti da piante triploidi Segale Triticale Frumento duro 2n = 2x = 14 2n= 6x = 42 2n = 4x = 28 Triticale: ottenuta per raddoppiamento cromosomico dell ibrido intergenerico tra segale e frumento duro (esaploide) o tenero (ottoploide).

39 Origine Anfidiploide di alcune specie del genere Brassica

40 Mutazioni nel numero dei cromosomi sessuali La non-disgiunzione dei cromosomi sessuali umani provoca varie malattie da aneuploidia. Nonostante il cromosoma X sia tra i più grandi sembra che l aneuploidia degli eterocromosomi causi un minor perturbamento dell equilibrio genetico

41 Agenti intercalanti Cause della Mutazione Errori di replicazione Spontanee Cambiamenti spontanei delle basi (es: depurinazione etc.) Mutazioni Raggi X Radiazioni Indotte Raggi UV Analoghi delle basi Mutageni chimici Agenti mod. le basi

42 Possiamo incrementare la frequenza di mutazione? chimici i mutageni fisici by GP&NA genetici

43 Mutageni chimici e loro azione Nome comune azione, proprietà particolari A. AGENTI ALCHILANTI: donano gruppi alchilici ad altre molecole Gas di mostarda (iprite) transizioni EMS etilazione; transizioni G:C-A:T EES etilazione; bifunzionale lega i due filamenti del DNA provocando rotture ed aberrazioni. NTG deaminazione B. ANALOGHI DI BASE: incorporati durante la replicazione 5-BU analogo della timina; transizioni per tautomeria 5-BrDU analogo della adenina;transizioni per tautomeria 2-AP transizioni per tautomeria C. COLORANTI ACRIDINICI: intercalanti, distorcono la struttura del DNA; alla replicazione si ha l inserzione o la delezione di una o più basi Proflavina sfasamento del modulo di lettura Arancio di acridina sfasamento del modulo di lettura by GP&NA

44 Gli agenti mutageni chimici agiscono in modo diverso: -Gli analoghi di base rimpiazzano fisicamente le basi normali durante la replicazione del DNA, in seguito cambiano forma in modo da cambiare le loro proprietà di accoppiamento. -Gli agenti che modificano le basi causano cambiamenti chimici nelle basi esistenti, alterando le proprietà di accoppiamento. Entrambi danno origine a sostituzioni

45 - Gli agenti intercalanti vengono inseriti tra basi adiacenti durante la replicazione, causando inserzione o delezione delle singole coppie di basi Si creano delle mutazioni frameshift

46 380nm blu verde giallo rosso 750nm Lo spettro elettromagnetico LUCE VISIBILE Raggi Raggi Raggi X UV Infrarossi cosmici Microonde Onde radio gamma 10-5 nm 10-3 nm 1nm lunghezza d onda 10 3 nm 10 6 nm 10 9 nm 10 3 m radiazione ionizzante Livello energetico by GP&NA piu alto piu basso

47 Radiazioni ionizzanti e conseguenze Le radiazioni ionizzanti penetrano nei tessuti in notevole profondità. Nel loro percorso collidono con gli atomi che incontrano e determinano il rilascio di elettroni e la formazione di ioni carichi positivamente. Questi collidono con altre molecole e quindi si liberano ulteriori elettroni e così via. Si forma quindi un cono di ioni lungo il percorso di ogni raggio ad alta energia attraverso i tessuti viventi. Le radiazioni ionizzanti possono provocare rotture cromosomiche e quindi sia riarrangiamenti cromosomici che mutazioni puntiformi. by GP&NA

48 UV formazione di dimeri TGCTCATATGGACA T T AGTCGGTTCATGGT ACGAGTATACCTGT A A TCAGCCAAGTACCA Endonucleasi TGCTCATATGGACA T T AGTCGGTTCATGGT ACGAGTATACCTGT A A TCAGCCAAGTACCA Esonucleasi TGCTCATATGG CGGTTCATGGTTGGT ACGAGTATACCTGT A A TCAGCCAAGTACCA Radiazioni non ionizzanti e riparazione I raggi UV inducono la formazione di dimeri di timina adiacenti nel DNA; questo modifica la conformazione della doppia elica. La distorsione può essere riparata mediante fotoreattivazione e per escissione (a sinistra) by GP&NA DNA polimerasi I TGCTCATATGGACATAGCGGTTCATGGT ACGAGTATACCTGTATCAGCCAAGTACCA Ligasi TGCTCATATGGACATAGCGGTTCATGGT ACGAGTATACCTGTATCAGCCAAGTACCA

49 Origine delle mutazioni spontanee Non esiste una quantità adeguata di radiazioni di fondo (raggi cosmici, materiali radioattivi terrestri) sufficiente per spiegare i tassi di mutazione osservati nella maggior parte degli organismi. Ad esempio, in Drosophila, il tasso di mutazione spontanea è circa 1300 volte quello atteso considerando l intensità delle radiazioni naturali e quindi hanno piccola responsabilità nella determinazione delle mutazioni spontanee. by GP&NA

50 Universita di Bari Cause delle mutazioni spontanee La natura del processo di mutazione spontanea va cercata all interno della cellula e dell organismo. In Drosophila maschi e femmine dello stesso ceppo hanno = tasso di mutazione, mentre individui di ceppi diversi hanno TM differenti TEMPERATURA ETA GENI MUTATORI ELEMENTI TRASPONIBILI by GP&NA

51 EFFETTI BIOLOGICI DELLE MUTAZIONI: 1 mutazioni germinali Le mutazioni che insorgono in meiosi o dopo o che vi passano senza subire variazioni, determinano nella progenie i seguenti effetti: 1) MUTAZIONI GENICHE: il loro effetto dipende dalla dominanza e dal tipo di selezione cui sono sottoposte. 2) MUTAZIONI CROMOSOMICHE SBILANCIATE (delezioni, duplicazioni, aneuploidie): sono dannose in eterozigosi e ancora più dannose in omozigosi. 3) MUTAZIONI STRUTTURALI BILANCIATE (inversioni, traslocazioni, fusioni-fissioni centriche): producono un difetto di fecondità negli eterozigoti MUTAZIONI GENOMICHE 4) AUTOPOLIPLOIDIE: sono mal tollerate negli animali, ben tollerate nelle piante ma del tutto sterili. 5) ALLOPOLIPLOIDIE: sono ben tollerate nelle piante e del tutto feconde.

52 EFFETTI BIOLOGICI DELLE MUTAZIONI: 2 mutazioni precoci e somatiche Mutazioni precoci: determinano i loro effetti specifici in settori del corpo tanto più ampi quanto più precoce è la mutazione; sono una delle cause del mosaicismo. Mutazioni somatiche: il rischio più rilevante è il cancro, che viene indotto da mutazioni che coinvolgono geni connessi al controllo della proliferazione cellulare attraverso diversi meccanismi: espressione di nuovi alleli dovuti a mutazione genica; effetto di posizione in inversioni e traslocazioni, per cui un gene modifica la sua espressione in funzione dei geni adiacenti; alterazione del dosaggio genico in seguito a mutazioni cromosomiche sbilanciate pseudodominanza, per cui si manifestano alleli recessivi in seguito alla perdita dei corrispondenti alleli dominanti in seguito a delezione o monosomia.

53 EFFETTI EVOLUTIVI DELLE MUTAZIONI 1) MUTAZIONI GENICHE: danno origine a nuovi alleli, sono quindi la fonte primaria della variabilità genetica; il loro effetto dipende dal tipo di selezione cui sono sottoposte. 2) DUPLICAZIONI: possono dare origine a nuovi geni, consentendo il cambiamento nel tempo e la complessificazione delle specie. 3) INVERSIONI, TRASLOCAZIONI, FUSIONI-FISSIONI: la riduzione di fecondità degli eterozigoti favorisce l isolamento riproduttivo e la nascita di nuove specie. 4) ALLOPOLIPLOIDIA: può dare origine a molti nuovi geni, avendo un intero genoma in eccesso ; gli allopoliploidi costituiscono nuove specie, dato che gli ibridi fra l allopoliploide e le specie da cui origina è del tutto sterile;