Le mutazioni Quando le informazioni sono errate

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1 Le mutazioni Quando le informazioni sono errate Lic. Scientifico A. Meucci Aprilia Prof. Rolando Neri

2 Storia delle mutazioni Dal 1927 viene usato il concetto di mutazione così come è inteso oggi Il primo a coniare il termine mutazione fu Hugo De Vries Thomas Morgan fu il primo a portare prove sperimentali della teoria cromosomica dell ereditarietà. Negli esperimenti più importanti Morgan fece uso di mutazioni indotte Si svilupparono 2 teorie contrastanti sulle modalità di sviluppo delle mutazioni. Alla fine fu dimostrata la teoria genetica

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4 Le mutazioni Le mutazioni sono dei cambiamenti ereditari del materiale genetico e sono eventi rari, casuali ed improvvisi. Possono essere: o dominanti: se interessano un allele dominante; o recessive: se interessano un allele recessivo. Possono interessare le cellule: o somatiche: coinvolgono le cellule somatiche; si manifesteranno se sono dominanti, se si verificano in un certo stadio dello sviluppo e se insorgono in alcune parti dell organismo (se sono coinvolti geni delle crescita cellulare si può avere la trasformazione tumorale della cellula). NON sono trasmissibili alla progenie; o germinali: coinvolgono i gameti e quindi SONO ereditabili. Le mutazioni in base all ampiezza del cambiamento possono essere: o geniche: uno o più nucleotidi; o cromosomiche: uno o più cromosomi; o genomiche: intero genoma.

5 Le mutazioni In base alla loro origine le mutazioni si dividono in: Spontanee: Avvengono in assenza di agenti mutageni Provocate da fattori chimici endogeni e da errori quali: Modificazione di una base azotata Danni ossidativi Errori nei processi di formazione del Dna Indotte: Avvengono in presenza di agenti mutageni Provocate dai seguenti fattori: Sostituzione di basi azotate errate Aggiunta di base azotate Danneggiamento di basi azotate Inserzione o delezione delle basi

6 Le mutazioni spontanee Sono molto rare. Hanno un ruolo importante in fenomeni biologici quali l evoluzione e la cancerogenesi, e probabilmente sono implicate anche nell invecchiamento, malattie autoimmuni, neurodegenerazione, aterosclerosi. Il tasso di mutazione spontanea è il risultato di una serie di fattori endogeni ed esogeni che possono essere sia mutageni che antimutageni. Spontaneamente sono prodotti tutti i tipi di mutazione genica: sostituzione di base, inserzioni, duplicazioni e delezioni. Le mutazioni si verificano con maggiore frequenza in alcuni siti definiti punti caldi (hot spots), come quelli contenenti 5-metil-citosina. Le cause possono essere: esogene: presenza nell ambiente di agenti mutageni come radiazioni cosmiche, radionuclidi, analoghi di base del DNA e altri composti chimici che possono interagire casualmente con il DNA; endogene: sono correlate a processi fisico-chimici, quali rottura dell elica del DNA in seguito ad idrolisi, oppure errori che si verificano nel corso dei processi fisiologici.

7 Le mutazioni geniche Sono cambiamenti della sequenza nucleotidica del DNA. Si possono verificare per: sostituzione di base; inserzione/duplicazione/delezione (frameshift). Il cambiamento può riguardare una o poche basi; nel primo caso si parla più propriamente di mutazioni puntiformi. 1. Le sostituzioni di base. Una mutazione puntiforme può verificarsi per la sostituzione di una base azotata con una base differente. In caso di sostituzione di una base possono verificarsi due casi: a. Dato che il codice genetico è ridondante, la nuova tripletta di basi può codificare per lo stesso amminoacido e nella proteina non si verifica nessun cambiamento, in questo caso l errore non produce effetti e si parla di mutazione silente; b. Nel caso in cui la base sostituita produca un cambiamento della sequenza degli amminoacidi si parla di mutazione di senso. Un esempio di questo tipo di mutazione riguarda l allele responsabile dell anemia falciforme. segue

8 Le mutazioni geniche 1. Le sostituzioni di base. segue

9 Le mutazioni geniche 2. La mutazione frameshift E dovuta a inserzione (cioè eliminazione) o delezione (cioè inserimento) di una o poche coppie di basi (mai nel numero di tre o multipli di tre) in regioni codificanti o non. Ne deriva uno scorrimento del frame (o griglia) di lettura dal sito mutato in poi. Se la base o sequenza inserita è identica a quella precedente si parla di duplicazione. Le sostituzioni di basi possono creare mutanti: missenso: inserimento di un aminoacido sbagliato in un polipeptide per cui si ha la produzione di una proteina difettosa. Determinano una riduzione della funzione. Fenotipo parzialmente mutato. nonsenso: la tripletta modificata non codifica per alcun aminoacido per cui si ha la produzione di proteine tronche. Fenotipo mutante completo. La mutazione è detta neutra quando non ha effetto sul fenotipo e passa inosservata. Si verifica quando: la tripletta mutata codifica per un aminoacido diverso che però non altera la funzione della proteina; la mutazione coinvolge un gene che codifica per una proteina non indispensabile; il gene mutato non si esprime; la mutazione è soppressa da un altra mutazione. segue

10 Le mutazioni geniche 2. La mutazione frameshift

11 Le mutazioni geniche Una caratteristica delle mutazioni geniche, in particolare di quelle puntiformi, è la reversibilità cioè la capacità di ridare, in seguito ad una successiva mutazione, il fenotipo normale. o Reversione vera o retromutazione: la sequenza del gene mutato torna ad essere quella esatta (si ristabilisce oltre al fenotipo anche il genotipo normale). o Reversione di sito o di codone: la mutazione che ha riportato al fenotipo normale è avvenuta all interno del codone originale; la nuova tripletta continua a codificare per lo stesso aminoacido a causa della degenerazione del codice. o Reversione per soppressione: la sequenza del gene resta mutata ma la seconda mutazione che sopprime l effetto della prima, ristabilendo così il fenotipo normale, avviene in un punto diverso del DNA.

12 Le mutazioni cromosomiche Le mutazioni cromosomiche possono essere classificate in due gruppi principali: 1. numeriche (poliploidia e aneuploidia): cambiamenti nel numero di interi assetti cromosomici oppure modificazioni nel numero di singoli cromosomi; 2. strutturali (aberrazioni cromosomiche): modificazioni nella sequenza del DNA lungo l asse del cromosoma in seguito ad eventi di rottura del cromosoma stesso. Quando questi eventi di rottura sono seguiti da riunioni e quindi da una riorganizzazione strutturale del cromosoma, si parla di riarrangiamenti strutturali, altrimenti si definiscono delezioni.

13 Le mutazioni cromosomiche Le mutazioni cromosomiche numeriche Si distinguono in: Poliploidia: cambiamento di interi assetti cromosomici cioè il numero dei cromosomi di un organismo è un multiplo del numero aploide di quella specie. Aneuploidia: modificazione del numero di singoli cromosomi che determinano un ineguale numero a carico della coppia cromosomica. Le anomalie che interessano gli autosomi sono spesso letali (aborti precoci o morte perinatale) oppure si accompagnano a fenotipi anormali facilmente rilevabili. Le anomalie che interessano i cromosomi sessuali sono compatibili con la vita ma si associano a gravi problemi di fertilità o in taluni casi a sterilità.

14 Le mutazioni cromosomiche Poliploidia La poliploidia è la condizione in cui un organismo possiede più di due set cromosomici aploidi. Nelle piante la poliploidia dà origine a individui perfettamente funzionanti, ed anche in grado di riprodursi, per due motivi: (1) sono organismi spesso ermafroditi in grado di autofecondarsi e, (2) alla prima divisione mitotica dello zigote si ha il blocco della citodieresi; pertanto, questo fenomeno si è verificato innumerevoli volte nel corso dell evoluzione delle piante. Per es.: molte piante coltivate, come il frumento, l avena, il cotone, la patata e il caffè, sono poliploidi. La poliploidia è invece letale negli esseri umani, come anche nella maggior parte degli animali; infatti, sconvolge talmente l interazione tra i geni che meno dell 1% degli individui affetti da poliploidia nasce vivo e anche quei pochi che nascono muoiono entro un mese. segue

15 Le mutazioni cromosomiche Poliploidia nel frumento 1. Formazione dei gameti Due piante di due specie diverse di frumento producono i rispettivi gameti. (Per semplicità, supponiamo che ciascuna delle due specie possieda due sole coppie di cromosomi.) 2. Fecondazione I gameti delle due specie si uniscono formando uno zigote ibrido. 3. Duplicazione dei cromosomi Lo zigote duplica i suoi cromosomi in vista della prima divisione cellulare, ma poi, per incompatibilità tra i cromosomi provenienti dalle due specie, non riesce a dividersi. Lo zigote è così diventato poliploide, e ora ogni suo cromosoma ha un cromosoma omologo compatibile con cui appaiarsi durante la meiosi. A questo punto. lo zigote procede normalmente lungo la serie di divisioni cellulari che porta alla formazione di una nuova pianta. 4. Formazione dei gameti Nella nuova pianta, le cui cellule hanno un numero di cromosomi doppio rispetto alle piante genitrici, può avvenire la formazione di gameti di entrambi i sessi. 5. Autofecondazione Essendo il frumento una pianta capace di auto fecondarsi, i gameti maschili e quelli femminili prodotti dall'unico esemplare ibrido possono fondersi tra loro.

16 Le mutazioni cromosomiche Aneuploidia Negli esseri umani, le variazioni nel numero di cromosomi negli individui non riguardano l aggiunta o la mancanza di un intero set di cromosomi, ma l acquisto o la perdita di singoli cromosomi. Si chiama aneuploidia la condizione in cui un organismo ha un numero di cromosomi maggiore o minore di quello normale. Negli esseri umani, una causa abbastanza comune di aneuploidia è la cosiddetta nondisgiunzione; questa consiste nella mancata separazione, durante la meiosi, di due cromosomi omologhi o dei due cromatidi di un cromosoma, per cui alcuni gameti ricevono un cromosoma in più e altri uno in meno. La pagina successiva mostra che la non-disgiunzione può verificarsi sia durante la meiosi I e sia durante la meiosi II. Nella meiosi I, non si separano i due esemplari di una coppia di cromosomi omologhi; nella meiosi II, la non-disgiunzione riguarda invece i due cromatidi di un cromosoma. Eventi del genere danno origine a cellule uovo o a spermatozoi che hanno 24 o 22 cromosomi, anziché 23. Come risultato dell unione di questi gameti con uno spermatozoo e con una cellula uovo normali, si forma uno zigote che ha 47 o 45 cromosomi, invece dei normali 46. segue

17 Le mutazioni cromosomiche La sindrome di Down Aneuploidia La non-disgiunzione può verificarsi sia nella meiosi I che nella meiosi II; nel primo caso si verifica per la mancata separazione dei due esemplari di una coppia di cromosomi, nel secondo per la mancata separazione dei due cromatidi di un cromosoma. Quando la nondisgiunzione avviene nella meiosi I, tutti i gameti prodotti hanno un numero alterato di cromosomi; quando avviene nella meiosi II, invece solo il 50% dei gameti è difettoso. segue

18 Le mutazioni cromosomiche Aneuploidia Le mutazioni cromosomiche numeriche dei cromosomi sessuali Il processo di non-disgiunzione può produrre anche individui con un numero anomalo di cromosomi sessuali. la sindrome di Turner o monosomia X (X0): soggetti con genitali esterni femminili ma con gonadi assenti o atrofiche, inoltre malformazioni dello scheletro e degli organi interni; la sindrome di Klinefelter (XXY): soggetti fenotipicamente maschili ma con atrofia testicolare e ginecomastia (la ginecomastia è una condizione caratterizzata dallo sviluppo delle mammelle, composte da tessuto ghiandolare e grasso che si sviluppano nell'uomo), inoltre mostrano anche un ritardo mentale; la sindrome del triplo X (XXX): soggetti fenotipicamente femminili a volte normali ma sterili, in altri casi presentano mancato sviluppo somatico.

19 Le mutazioni cromosomiche Le mutazioni cromosomiche strutturali (o aberrazioni strutturali) Esistono 4 tipi principali di mutazioni cromosomiche che implicano cambiamenti nella struttura del cromosoma: o delezioni e duplicazioni: comportano un cambiamento nella quantità di DNA; o inversioni: comportano un cambiamento nell orientamento di un tratto cromosomico; o traslocazioni: implicano un cambiamento nella localizzazione di un segmento cromosomico. Tutte queste mutazioni hanno origine da una o più rotture nel cromosoma. Se una rottura si verifica all interno del gene, la sua funzione può andare perduta. Pertanto i danni saranno strettamente correlati all informazione genetica che viene persa. Da un punto di vista clinico, sono interessanti le anomalie bilanciate, cioè associate a situazioni di euploidia, che non comportano alterazioni fenotipicamente visibili ma che spesso sono associate a problemi di fertilità.

20 Le mutazioni cromosomiche Le mutazioni cromosomiche strutturali La delezione E caratterizzata dalla perdita di un tratto di un cromosoma in seguito ad una rottura che può essere indotta da diversi agenti eziologici: la temperatura, le radiazioni (in particolare quelle ionizzanti), virus, sostanze chimiche o da errori nella ricombinazione. Mancando un segmento cromosomico, le delezioni non sono reversibili. Le conseguenze dipendono da geni o dalle parti di geni che vengono rimossi. Un esempio è la rara sindrome del cri-du-chat («grido del gatto»), dovuta alla delezione dell estremità del braccio corto del cromosoma 5. segue

21 Le mutazioni cromosomiche Le mutazioni cromosomiche strutturali La duplicazione E caratterizzata dal raddoppiamento di un tratto di un cromosoma. La dimensione del tratto duplicato può variare ampiamente e segmenti duplicati possono trovarsi in punti diversi del genoma oppure in una posizione tandem (cioè l uno vicino all altro testacoda). o Duplicazione tandem inversa: l ordine dei geni nel segmento duplicato è il contrario dell ordine originale. o Duplicazione tandem terminale: i segmenti duplicati sono disposti in tandem all estremità di un cromosoma. Esempi di duplicazione di un cromosoma normale segue

22 Le mutazioni cromosomiche Le mutazioni cromosomiche strutturali L inversione Si verifica quando un segmento cromosomico viene tagliato e poi reintegrato nel cromosoma dopo rotazione di 180 rispetto all orientamento originale. Vi sono due tipi: o Inversione pericentrica: comprende il centromero; o Inversione paracentrica: non comprende il centromero. Il materiale genetico non viene perduto, però possono esservi delle conseguenze fenotipiche se i punti di rottura sono all interno di un gene o entro regioni che controllano l espressione di un gene. Esempi di inversione di un cromosoma normale segue

23 Le mutazioni cromosomiche Le mutazioni cromosomiche strutturali Conseguenze meiotiche di un'inversione L inversione Le conseguenze meiotiche: o se l inversione è allo stato omozigote, la meiosi è normale; o se l inversione è allo stato eterozigote, il crossing-over comporta gravi conseguenze genetiche. I prodotti del crossing-over saranno diversi a seconda del tipo di inversione. A causa della presenza di un tratto invertito su un omologo, l appaiamento dei cromosomi omologhi richiede la formazione di anelli o anse di inversione, contenenti i tratti invertiti.

24 Le mutazioni cromosomiche Le mutazioni cromosomiche strutturali La traslocazione E una mutazione cromosomica consistente nel cambiamento di posizione di segmenti cromosomici e quindi delle sequenze geniche in essi contenute. Non vi è né aumento né perdita di materiale genetico. Vi sono due tipi di traslocazioni semplici: o intracromosomica (entro un cromosoma): cambiamento di posizione di un tratto cromosomico entro lo stesso cromosoma o intercromosomica (tra cromosomi): spostamento di un segmento cromosomico da un cromosoma ad un altro non omologo. segue

25 Le mutazioni cromosomiche Le mutazioni cromosomiche strutturali La traslocazione intercromosomica a sua volta può essere: o non reciproca: implica un trasferimento da un cromosoma ad un altro (V. Figura precedente); o reciproca: implica uno scambio di segmenti tra due cromosomi. segue

26 Le mutazioni cromosomiche Le mutazioni cromosomiche strutturali La traslocazione Negli organismi omozigoti per le traslocazioni, la conseguenza di questa mutazione è un cambiamento della relazione di associazione tra i geni. Le traslocazioni influenzano soprattutto i prodotti della meiosi. In molti casi, alcuni gameti prodotti sono sbilanciati, in quanto hanno duplicazioni o delezioni e possono essere non vitali. Nei casi omozigoti per una traslocazione reciproca, la meiosi avviene normalmente, dato che tutti i geni si possono appaiare correttamente e il crossing-over non produce nessun cromatidio anomalo. Negli organismi eterozigoti per una traslocazione reciproca le diverse parti dei cromosomi omologhi cercano di appaiarsi come meglio possono dando luogo nella profase della meiosi I a configurazioni particolari (es. a croce). I problemi insorgono nell anafase I durante la segregazione che si potrà realizzare in vari modi dando luogo a gameti vitali (se contengono una serie completa di geni) o non vitali (se contengono delezioni o duplicazioni geniche). (V. diapositiva successiva). Negli animali i gameti portatori di segmenti cromosomici duplicati o deleti possono funzionare, ma gli zigoti originati da tali gameti generalmente muoiono, e quindi sono sterili.

27 Le malattie genetiche Le malattie genetiche autosomiche Oltre alle sindromi causate da alterazioni del numero di cromosomi di cui ci siamo occupati nelle pagine precedenti, esistono molte malattie di origine genetica provocate da mutazioni del DNA. A meno che non sia silente, la mutazioni di un gene provoca un cambiamento nella proteina codificata che, in genere, non è in grado di funzionare. Le leggi della genetica valgono per le piante di pisello quanto, ovviamente, per gli altri organismi, esseri umani compresi; vediamo allora alcune delle più importanti malattie umane che vengono ereditate in base alle leggi mendeliane e che interessano gli autosomi. Si verificano diversi casi, a seconda che l allele di quel gene sia recessivo o dominante. Tutte le malattie recessive portate dagli autosomi (ossia, tutti i cromosomi tranne quelli sessuali) si manifestano solo se sono presenti nel genotipo in forma omozigote; gli individui eterozigoti per il relativo gene sono di solito privi di sintomi. Le malattie determinate da alleli dominanti sono piuttosto rare sia perché, essendo in genere molto gravi, gli individui colpiti di solito muoiono prima di riprodursi sia perché tali malattie si manifestano anche negli individui eterozigoti e sono perciò già osservabili nei genitori (le malattie recessive, invece, possono comparire nei figli omozigoti, ma non manifestarsi nei genitori eterozigoti). segue

28 Le malattie genetiche Le malattie genetiche autosomiche causate da alleli recessivi L anemia falciforme è una malattia genetica che si trasmette come carattere autosomico recessivo. Poiché un figlio o una figlia possono essere affetti da anemia falciforme, il padre e la madre devono avere ciascuno almeno un allele per questa malattia; in tal caso, c è una probabilità del 25% (1 casella su 4 del quadrato di Punnett) che un figlio erediti la malattia.

29 Le malattie genetiche Le malattie genetiche autosomiche causate da alleli dominanti Forse la malattia ereditaria più nota provocata da un allele dominante è la corea di Huntington, una malattia progressiva che porta alla distruzione delle cellule cerebrali e alla morte dell individuo dopo circa anni dalla comparsa dei primi sintomi. Come si può facilmente calcolare, ogni bambino che abbia un genitore affetto da questa malattia ha il 50% di probabilità di ereditarla. A differenza di altre malattie provocate da alleli dominanti, i primi sintomi compaiono generalmente dopo i 30 anni di età, quando gran parte degli individui malati ha già avuto figli e può avere, in questo modo, già trasmesso la malattia. L ipercolesterolemia è una malattia che presenta caratteristiche del tutto simili alla corea di Huntington. segue

30 Le malattie genetiche Le malattie genetiche legate ai cromosomi sessuali Tra i geni umani che sono portatori di caratteri legati al sesso vi è, per esempio, il gene responsabile della presenza dei peli sui lobi delle orecchie; esso si trova sul cromosoma Y ed è assente sul cromosoma X, per cui solo i maschi possono manifestare questo carattere. Nella specie umana, tuttavia, è più facile che si verifichi la situazione opposta, ossia che alcuni geni siano presenti sul cromosoma X e assenti sul cromosoma Y poiché quest'ultimo è più piccolo e porta un numero molto minore di informazioni genetiche rispetto al cromosoma X. L'ereditarietà dei caratteri recessivi legati al cromosoma X è un tipo di ereditarietà particolarmente studiata in relazione ad alcune malattie dell'uomo come il daltonismo e l'emofilia: a differenza della modalità di trasmissione dei caratteri valida per gli autosomi, si può notare che: o le femmine eterozigoti, dette portatrici sane, sono fenotipicamente normali in quanto la presenza nelle loro cellule dell'allele sano, posto su uno dei due cromosomi X, permette al loro organismo di svolgere normalmente le proprie funzioni; i maschi eterozigoti invece manifestano nel fenotipo la malattia, perché, essendo il cromosoma Y privo dell'allele per quel carattere, essi ne possiedono di fatto uno solo; o una donna può manifestare la malattia solo nella forma omozigote recessiva, condizione possibile nel caso in cui essa erediti un cromosoma X portatore del gene recessivo sia dalia madre sia dal padre. segue

31 Le malattie genetiche Cecità al rosso e al verde (daltonismo) malattia recessiva legata al cromosoma X Test per la cecità al rosso (figura in alto) Chi non riesce a vedere il numero nel cerchio è molto probabilmente affetto da questa forma recessiva di daltonismo. Il daltonismo colpisce soprattutto i maschi (figura in basso). Nella situazione raffigurata, la madre non è daltonica ma è portatrice sana, cioè su uno dei suoi cromosomi X gli alleli per la visione dei colori non sono funzionali. Se essa trasmette quel cromosoma X a una figlia, questa non sarà daltonica, cioè non manifesterà la malattia, perché avrà gli alleli funzionali del cromosoma X ereditato dal padre; invece, se essa trasmette quel cromosoma X a un figlio, questo sarà daltonico perché avrà solo il cromosoma X difettoso ricevuto dalla madre.