CONOSCENZE RICHIESTE Le tipologie di mutazioni genetiche e dei riarrangiamenti dei cromosomi e il loro ruolo nell evoluzione del cancro.

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Marina Cenci
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1 INSTABILITÀ GENOMICA IN SINTESI MATERIE COINVOLTE Scienze integrate/biologia. Il cancro è una malattia genetica: alterazioni dei geni e dei cromosomi sono alla base dello sviluppo dei tumori, anche se i meccanismi per cui si originano questi errori variano a seconda del tipo di cancro e dell individuo. CLASSI COINVOLTE IV, V anno della scuola secondaria di secondo grado. Questa scheda contiene informazioni su: le mutazioni genetiche; i riarrangiamenti dei cromosomi; le mutazioni ereditarie; il ruolo dell ambiente. TEMPO DI UTILIZZO 1 ora di presentazione dei contenuti con lezione frontale, 1 ora per l'attività pratica. COSA IMPARANO GLI STUDENTI CONOSCENZE RICHIESTE Le tipologie di mutazioni genetiche e dei riarrangiamenti dei cromosomi e il loro ruolo nell evoluzione del cancro. Conoscenze biologiche del ciclo cellulare e della replicazione del DNA. Il testo inglese è adattato da Cell Division and Cancer, Scitable by Nature Education; e da Introduction: Cancer, di Phillyda Brown, New Scientist, 4 Settembre Questo materiale è distribuito con una Licenza Creative Commons 3.0 BY-NC-ND. Può essere riprodotto e distribuito a patto che: venga correttamente attribuita la paternità dell'opera; non sia usata a fini commerciali; non sia modificata o usata per creare altre opere. PR 1 E N ZI O EV M PEG N O CU R A C E RC A RI NE A OLOGI BI I Questa scheda è stata realizzata da AIRC nell ambito del progetto AIRC ENTRA NELLE SCUOLE. Supervisione scientifica a cura di Lisa Vozza, direzione scientifica AIRC. Ideazione e coordinamento delle attività: Francesca Conti, formicablu srl. Contenuti e testi: Angela Simone, formicablu srl. Impaginazione: Giulia Rocco, formicablu srl. Layout grafico: Marco Lobietti, Nowhere srl.

2 Per la lezione frontale Il ruolo dell instabilità del genoma Una caratteristica comune alle cellule del cancro è l instabilità del loro genoma. Una cellula genomicamente instabile è una cellula soggetta a ripetuti e successivi cambiamenti nel DNA. Le alterazioni possono interessare: poche paia di basi; gruppi di geni; zone più o meno estese di un cromosoma; interi cromosomi. Le mutazioni genetiche Le mutazioni genetiche interessano uno o pochi geni e possono essere di diverso tipo: per sostituzione, in cui un nucleotide è sostituito con un altro; per inserzione, in cui all interno di un gene viene inserito un nucleotide; per delezione, in cui c è perdita di un nucleotide. Le sostituzioni possono poi suddividersi a loro volta in: transizioni, se lo scambio avviene tra purine (Adenina e Citosina) o tra pirimidine (Guanina e Timina); transversioni, in cui a una purina si sostituisce una pirimidina o viceversa. Un altro tipo di mutazione può prevedere la ripetizione di un gene o di una parte di esso, anche diverse volte. Vedere singole mutazioni genetiche può essere complicato, ma grazie a strumentazioni sempre più potenti e veloci, come i moderni sequenziatori, oggi è possibile leggere il genoma in modo più rapido ed economico. I riarrangiamenti dei cromosomi I riarrangiamenti dei cromosomi sono delle alterazioni molto estese e quindi più facilmente rilevabili, attraverso l analisi del cariotipo, ovvero del corredo cromosomico del singolo individuo. Si presentano a causa di rottura, perdita o errato scambio di materiale genetico tra cromosomi non omologhi. Le anomalie di struttura sono: la delezione, quando viene persa una porzione di cromosoma; la duplicazione, quando la porzione di cromosoma persa va a legarsi al cromosoma omologo, creando in quest ultimo la duplicazione di quella frazione; l inversione, in cui la frazione cromosomica riesce a riposizionarsi all interno dello stesso cromosoma, ma ruotato di 180 gradi; la traslocazione, con acquisizione di parte di cromosoma da parte di un cromosoma non omologo (se c è scambio reciproco tra due cromosomi non omologhi si parla di traslocazione bilanciata). Le anomalie di numero portano invece a una modifica del numero del set cromosomico con aggiunta o perdita di uno o più cromosomi. Moltissimi tipi di cancro presentano la cosiddetta instabilità cromosomiale, ovvero una maggiore frequenza di alterazioni di struttura di cromosomi rispetto a una cellula sana. 2

3 Per la lezione frontale Mutazioni e meccanismi di controllo e correzione cellulari Le alterazioni genomiche sono un fenomeno molto frequente. Basti pensare che per ogni cellula che si duplica (e che quindi replica il suo DNA), esiste la probabilità che avvengano circa 106 mutazioni spontanee per ogni gene. La cellula tuttavia ripara la maggior parte di questi errori grazie a meccanismi di correzione come: la precisa segregazione dei cromosomi durante la mitosi; una serie di controlli mirati durante il ciclo cellulare; il meccanismo di correzione di bozze in fase di replicazione, in cui le basi non appaiate correttamente vengono sostituite con la base corretta; la rimozione della cellula stessa, quando il genoma è fortemente compromesso, attraverso l apoptosi che elimina le cellule malate. Quando questi meccanismi sono insufficienti, le cellule accumulano mutazioni che possono portare a un tumore. Ereditarietà e cancro La maggior parte dei tumori deriva da mutazioni casuali nelle cellule somatiche. Molto più rare sono le mutazioni nelle cellule germinali che possono essere trasmesse per via ereditaria. Per esempio i geni BRCA1 e BRCA2 sono mutazioni ereditarie che aumentano il rischio di sviluppare un cancro del seno. Ambiente e cancro L aria che respiriamo, il cibo che mangiamo e l ambiente che ci circonda contengono agenti che possono favorire la comparsa di mutazioni. Tra questi ci sono agenti fisici, come le radiazioni ultraviolette, o agenti chimici, come gli idrocarburi aromatici che provengono dal fumo di sigaretta. Fonti Hallmarks of Cancer: The Next Generation, D. Hanahan, R.A. Weinberg, Cell, 4 March 2011 (Vol. 144, Issue 5, pp ). Genomic instability an evolving hallmark of cancer, S. Negrini et al., Nature Reviews Molecular Cell Biology 11, (March 2010). Biologia molecolare della cellula, Alberts et al., Zanichelli Editore. 3

4 Attività pratica 1 Le mutazioni genetiche Nelle illustrazioni sono schematizzate le mutazioni genetiche. Scrivi qual è il tipo di mutazione illustrata nella casella Cosa osservi e spiegane il significato in Cosa significa. Tipi di mutazioni Cosa osservi Cosa significa Inserzione Inserzione All interno di un gene viene inserito un nucleotide Transizione Sostituzione per transizione Avviene lo scambio tra due purine (Adenina e Citosina) o tra pirimidine (Guanina e Timina) C è la perdita di un nucleotide Transversione Transversione Una purina si sostituisce una pirimidina o viceversa Ripetizione Ripetizione Un gene o di una parte di esso si ripete anche diverse volte 4

Anomalie di struttura Cosa osservi Cosa significa Si perde una porzione di cromosoma Duplicazione Duplicazione Un cromosoma ha perso una parte che si è

5 Attività pratica 2 I riarrangiamenti cromosomici Nelle illustrazioni sono schematizzati i riarrangimenti cromosomici. Riporta nella casella Cosa osservi qual è il tipo di anomalia illustrata in figura e spiegane il significato in Cosa significa. Anomalie di struttura Cosa osservi Cosa significa Si perde una porzione di cromosoma Duplicazione Duplicazione Un cromosoma ha perso una parte che si è integrata nel cromosoma omologo e in questo risulta duplicata Inversione Inversione Una frazione di cromosoma si è invertita di 180 gradi Traslocazione Traslocazione Parte di un cromosoma è stata acquisita da un cromosoma non omologo 5

6 Per lo studente NOME: COGNOME: DATA: Attività pratica 1 Le mutazioni genetiche Nelle illustrazioni sono schematizzate le mutazioni genetiche. Scrivi qual è il tipo di mutazione illustrata nella casella Cosa osservi e spiegane il significato in Cosa significa. Tipi di mutazioni Cosa osservi Cosa significa 6

7 Per lo studente NOME: COGNOME: DATA: Attività pratica 2 I riarrangiamenti cromosomici Nelle illustrazioni sono schematizzati i riarrangimenti cromosomici. Riporta nella casella Cosa osservi qual è il tipo di anomalia illustrata in figura e spiegane il significato in Cosa significa. Anomalie di struttura Cosa osservi Cosa significa 7

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