Classificazione dei diversi tipi di mutazioni

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1 Classificazione dei diversi tipi di mutazioni

2 Possibili conseguenze di una mutazione genica. Il prodotto di un gene normale è un peptide funzionante; il prodotto di un gene mutato è un peptide parzialmente o totalmente non funzionale

3 Frequenza di mutazione numero di volte in cui una certa mutazione si verifica in una popolazione di cellule/individui Tasso di mutazione probabilità che una mutazione si verifichi nel tempo (nell uomo il tasso di mutazioni spontanee per singoli geni va da 10-4 a 10-7 /gene/generazione)

4 Mutazioni geniche Missenso Transizioni Nonsenso Mutazioni puntiformi Neutra Transversioni Silente Frameshift

5 Mutazioni puntiformi consistono nell aggiunta, nella sottrazione di un singolo nucleotide, oppure nella sostituzione di una base con un altra Ci sono 2 tipi di sostituzioni di basi Transizioni Transversioni

6 Mutazioni per sostituzione di basi Transizione AT-GC Transversione CG-GC

7 Alcune paia di basi sono più vulnerabili di altre alle mutazioni

8 Mutazioni missenso Sostituzioni di basi che determinano cambiamento di un aa nella proteina finale Forma normale dell emoglobina (HbA) e forma mutata (HbS) Esempio: anemia falciforme, causata da una sostituzione di una coppia di basi nel gene della B-globina (globuli rossi difettosi e a falce)

9 Mutazioni nonsenso Sostituzione di base che produce un codone di stop Si forma quindi una proteina più corta, generalmente non funzionale Esempio: talassemia mediterranea in cui una mutazione nonsenso produce un B-globina troncata, non funzionale

10 Patogenesi della B-talassemia (anemia mediterranea)

11 Mutazione neutra La sostituzione di una base che determina un codone per un aa con caratteristiche simili al precedente. La funzionalità della proteina non cambia La sostituzione di una lisina con una arginina non altera la struttura della proteina

12 Mutazione silente (o samesense) La sostituzione di un nucleotide, e quindi la comparsa di un nuovo codone, non determina cambiamenti nella sequenza aa

13 Mutazioni frame-shift L inserzione o la delezione di uno, o più, nucleotidi determina lo scivolamento del quadro di lettura in cui i codoni sono letti durante la traduzione. Questo determina la sintesi di una proteina diversa per la sequenza a valle della mutazione. Mutazioni frame-shift portano sempre alla produzione di proteine non funzionali Nell esempio è riportata l inserzione di una G

14 L inserzione o la delezione di un numero di basi non multiplo di 3 modifica la composizione dei codoni successivi al punto di mutazione e quindi la sequenza nucleotidica

15 Mutazione frameshift Può portare anche proteine troncate se si forma un codone di stop (UAA, UAG, UGA) Mentre l effetto di una sostituzione di base dipende dall aa che viene inserito (se ha caratteristiche chimico-fisiche diverse da quello nativo), un inserzione o una delezione che provoca uno scivolamento del quadro di lettura, produce in genere un polipeptide non funzionale (struttura primaria diversa dal punto in cui si è verificata la mutazione)

16 Le maggiori conseguenze fenotipiche derivano per lo più da mutazioni puntiformi che avvengono a carico del DNA codificante. Le mutazioni a carico del DNA non codificante hanno di solito conseguenze meno evidenti, a meno che non avvengano in regioni quali il promotore, nelle altre sequenze che regolano l espressione genica o nelle sequenze introniche che determinano i siti di splicing. Le mutazioni di splicing Eliminano o introducono un sito di splicing nel trascritto, causando un alterazione nel processo di maturazione degli mrna. Di conseguenza i tradotti possono risultare difettosi

17 Le mutazioni nei siti di splicing possono avere diverse conseguenze 1. l esclusione dal mrna di interi esoni (exon skipping) Proteina è priva degli aa codificati dall esone escluso Slittamento della cornice di lettura se n nucleotidi escluso è diverso da 3 o multipli di 3

18 Mutazione frameshift nel gene della distrofina Distrofia muscolare di Duchenne Exon skipping nel gene della distrofina Distrofia muscolare di Becker

19 2. Mantenimento di sequenze introniche (intron retention) Mutazioni che determinano mancato riconoscimento di siti di splicing da parte dei complessi di spliceosomi. Sequenza intronica viene mantenuta nell mrna maturo. Sintesi di nuovi aa non presenti nella proteina wt

20 3. Attivazione di un sito criptico di splicing all interno di un esone Con conseguente esclusione di sequenze esoniche nell mrna Mancata sintesi di aa presenti nella proteina wt

21 Mutazioni cromosomiche Gravi danni sui cromosomi a causa di mutageni o errori drastici durante la replicazione dei cromosomi Delezioni Duplicazioni Inversioni Traslocazioni

22 Delezione Rimozione di parte del materiale genetico. Il cromosoma si rompe in due punti e di salda lasciando fuori la sequenza tra le due rotture

23 Duplicazione Cromosomi omologhi si rompono in punti differenti e frammenti si ricongiungono a partner sbagliato. Uno dei due cromosomi avrà segmento deleto, l altro segmento duplicato

24 Il crossing-over ineguale determina delezione e duplicazione In alcuni casi possono verificarsi contemporaneamente duplicazioni e delezioni (quando cromosomi omologhi si rompono in punti diversi)

25 Isocromosoma Divisione in senso orizzontale, anziché verticale, dei cromatidi, a livello del centromero. Cromosoma anomalo nel quale uno dei bracci è duplicato, in modo tale che siano presenti due braccia di uguale lunghezza con i rispettivi loci organizzati in senso speculare, mentre l'altro braccio è deleto.

26 Cromosoma ad anello Rottura delle estremità telomeriche e ricongiungimento del cromosoma a livello dei punti di frattura

27 Inversione Rottura e ricongiunzione, dopo capovolgimento, di un segmento di cromosoma

28 Traslocazione Segmento di un cromosoma si spezza e si attacca a un altro cromosoma non omologo.

29 I trasposoni (o elementi trasponibili) Sequenze di DNA di poche centinaia o migliaia di bp che possono muoversi da una parte all altra del genoma. Generalmente portano geni che codificano per enzimi per questi movimenti. Trasposoni non si recidono in maniera netta ma lasciano corte sequenze di bp che diventano mutazioni permanenti nei geni colpiti

30 Mutazioni da espansione delle ripetizioni di trinucleotidi (triplette) Distribuite nel genoma umano si trovano sequenze di DNA ripetute di lunghezza variabile. Se molto corte (1-6 bp, si definiscono microsatelliti) Errori durante replicazione del DNA e scambi genetici in seguito a appaiamenti errati provocano variazioni nel numero delle ripetizioni. Le regioni che contengono queste sequenze sono molto polimorfiche nella popolazione, variando anche da individuo a individuo In particolare, ripetizioni di tre nucleotidi (microsatelliti) possono andare incontro ad espansioni abnormi e compromettere normale espressione di un gene se si trovano vicino a regione codificante. Queste espansioni riguardano soprattutto triplette CAG e CGG Le ripetizioni sono contenute entro un certo limite nella popolazione normale, altrimenti determinano condizioni patologiche

31 Alcune patologie determinate da espansione di triplette

32 Cause della ripetizione di triplette possono essere - Appaiamento errato per slittamento (slippage mispairing) Lo slittamento all indietro del nuovo filamento può far sì che la DNA polimerasi duplichi nuovamente la tripletta - Eventuali crossing over ineguali Mutazioni instabili nel corso delle generazioni si può osservare espansione, ma anche riduzione del numero di triplette

33 La sindrome dell'x fragile (o sindrome di Martin-Bell o FRAX) è una malattia genetica umana causata da una mutazione per espansione di triplette del gene FMR1 sul cromosoma X. Con la sindrome di Down si contende il primato come causa genetica più comune di ritardo mentale. Normalmente il gene FMR1 contiene tra 6 e 53 ripetizioni del codone CGG. Negli individui affetti dalla sindrome dell'x fragile, l allele FMR1 ha più di 230 ripetizioni di questo codone. Questo grado di espansione provoca la metilazione delle citosine nel promotore del gene FMR1, con conseguente silenziamento dell'espressione. La metilazione del locus FMR1, che è situato nella banda cromosomica Xq27.3, provoca in quel punto la costrizione e la fragilità del cromosoma X, fenomeno che dà il nome alla sindrome.

34 Cos'è e come si manifesta la sindrome del cromosoma X fragile? La sindrome del cromosoma X fragile è la forma più comune di ritardo mentale dopo la sindrome di Down: interessa circa un bambino maschio ogni 4000 e una bambina ogni I bambini affetti possono avere uno sviluppo mentale molto variabile, con capacità cognitive quasi normali oppure grave ritardo, eventualmente accompagnati da comportamenti simili all'autismo (iperattività, avversione al contatto fisico, comportamenti stereotipati) e da frequenti crisi epilettiche. Sono state descritte anche alcune caratteristiche fisiche specifiche, benché spesso poco evidenti: viso stretto e allungato con fronte e mandibola prominenti, orecchie più grandi e più basse della media e ingrossamento dei testicoli (macrorchidismo). Come si trasmette la sindrome del cromosoma X fragile? La malattia è causata da una particolare mutazione del gene FMR1, localizzato sul cromosoma X, che consiste nella ripetizione eccessiva (espansione) di una certa sequenza del gene costituita da tre basi nucleotidiche. Nei geni mutati questa sequenza è ripetuta un numero di volte molto superiore rispetto ai geni non mutati. Alcune persone possiedono un numero intermedio di ripetizioni che non provoca effetti (premutazione). La mutazione completa determina nei soggetti affetti la mancata produzione della proteina normalmente codificata dal gene FMR1. La malattia si trasmette in modo molto peculiare, manifestandosi in modo diverso nei due sessi: i maschi con la mutazione completa sono affetti, mentre solo la metà circa delle femmine con la mutazione completa presenta i sintomi. Inoltre, il passaggio da premutazione a mutazione è possibile solo durante lo sviluppo delle cellule uovo. Per questo, i maschi con la premutazione la trasmettono sempre alle figlie femmine senza variazioni, mentre le femmine con la premutazione corrono il rischio di avere figli malati perché durante la formazione della cellula uovo potrà avvenire l'espansione

35 Mutazioni genomiche Il cariotipo è il corredo cromosomico di un individuo La cariotipizzazione si esegue su globuli bianchi isolati dal sangue, trattati con colchicina per bloccare le cellule in tarda profase metafase e lisandole con soluzione ipotonica. Osservazione e fotografia del vetrino al MO. Software di analisi di immagine appaiano omologhi e li ordinano in base a lunghezza Nella specie umana ci sono 46 cromosomi 44 autosomi (22 coppie) 2 cromosomi sessuali (una coppia)

36 Definizioni Il numero cromosomico caratteristico della specie è rappresentato dal set aploide di cromosomi (n) Più comunemente ci si riferisce però all assetto diploide (2n) Gli individui portatori di un numero di cromosomi differente da quello caratteristico sono detti eteroploidi Eteroploidia Euploidia Numero cromosomico è variato per interi set aploidi Aneuploidia Variazione del numero dei cromosomi con riferimento alla singola coppia. Tale fenomeno è ristretto ad uno o pochi cromosomi.

37 Condizioni di euploidia Cariotipo di un individuo triploide La poliploidia si origina in genere quando, durante la divisione cellulare, alla cariocinesi non segue la citochinesi. Nell uomo non è compatibile con la vita. Tri- e tetraploidia osservate in aborti spontanei

38 Condizioni di aneuploidia Cariotipo di un individuo affetto da sindrome di Down (trisomia del 21) una aneuploidia Aneuploidia di solito si origina da fenomeni di non disgiunzione durante l anafase della meiosi I o II

39 Le conseguenze della non disgiunzione dei cromosomi in meiosi Questi gameti, se fecondati, daranno origine a condizioni di trisomia o di monosomia