Le mutazioni Un cambiamento nel materiale genetico che non venga riparato dai meccanismi di riparo costituisce una mutazione Le mutazioni possono essere spontanee oppure causate da agenti fisici, chimici o biologici Le mutazioni sono la principale causa della variabilità genetica. Costituiscono il substrato su cui opera la selezione naturale ed un elemento fondamentale per l evoluzione Prodotto di mutazione sono tra l altro le diverse piante di pisello utilizzate da Mendel, i microorganismi resistenti ai farmaci anti-microbici, le malattie genetiche, il cancro
Ipotesi dell origine della variabilità genetica Teoria dell adattamento fisiologico: l ambiente induce cambiamenti ereditabili Teoria genetica o della mutazione spontanea: le mutazioni avvengono casualmente nella popolazione e l ambiente agisce mediante la selezione
Dimostrazione della validità della teoria della mutazione spontanea: il test di fluttuazione (Lurea e Delbruck, 1943)
Ipotesi dell origine della variabilità genetica Teoria dell adattamento fisiologico: l ambiente induce cambiamenti ereditabili Teoria genetica o della mutazione spontanea: le mutazioni avvengono casualmente nella popolazione e l ambiente agisce mediante la selezione La mutazione è un processo casuale. Qualunque allele in qualsiasi cellula può mutare in qualsiasi momento
Tipi di mutazioni 1. In base all estensione della regione bersaglio geniche o puntiformi cromosomiche genomiche 2. In base alla loro natura molecolare puntiformi sostituzioni inserzioni delezionii transizioni transversioni 3. In base all effetto che provocano sulla proteina 4. In base al tipo cellulare in cui hanno origine missenso nonsenso silenti frameshift somatiche germinali sinonima o neutra non sinonima 5. In base alla causa scatenante spontanee indotte
2. Mutazioni puntiformi: transizioni e transversioni
3. Tipi di mutazione a livello della proteina missenso nonsenso silente neutra o sinonima
frameshift A B C D E
Gli effetti fenotipici delle mutazioni Mutazioni con perdita di funzione Mutazioni con acquisto di funzione Mutazioni condizionali Mutazioni letali Mutazioni morfologiche Mutazioni biochimiche
4. Mutazioni somatiche e germinali Mutazioni somatiche: non ereditabili dalla progenie Mutazioni germinali: ereditate dalla progenie La proporzione di mutanti in una popolazione di cellule in crescita è maggiore quando è determinata da una mutazione precoce, piuttosto che da una tardiva
Mutazioni spontanee: tutti i tipi di mutazioni puntiformi possono avvenire spontaneamente sostituzioni di basi errori di replicazione del DNA cambiamenti chimici delle basi: deaminazione e depurinazione danni da ossidazione delezioni/inserzioni errori di replicazione del DNA Mutazioni indotte Agenti mutageni fisici Agenti mutageni chimici Agenti mutageni biologici
Mutazioni spontanee: sostituzioni di basi nella replicazione del DNA
Mutazioni spontanee: Tautomeria delle basi. Forma chetonica (stabile) ed enolica (instabile) Causano sostituzioni di base del tipo transizioni
Depurinazione Causa sostituzioni di base: sia transizioni che transversioni
Deaminazione delle citosine C G U A T A Causano sostituzioni di base del tipo transizioni
Danni da ossidazione radicali superossidi, perossido di idrogeno, radicali ossidrilici Si appaia erroneamente con A causando sostituzioni di base del tipo trasversioni G T
Mutazioni spontanee sostituzioni di basi errori di replicazione del DNA cambiamenti chimici delle basi: deaminazione e depurinazione danni da ossidazione delezioni/inserzioni errori di replicazione del DNA Mutazioni indotte Agenti mutageni fisici Agenti mutageni chimici Agenti mutageni biologici
Inserzioni e delezioni puntiformi si verificano spontaneamente durante la replicazione del DNA Le ripetizioni semplici favoriscono le inserzioni e le delezioni
Mutazioni spontanee sostituzioni di basi errori di replicazione del DNA cambiamenti chimici delle basi: deaminazione e depurinazione danni da ossidazione delezioni/inserzioni errori di replicazione del DNA
Mutazioni in avanti Causano la variazione del fenotipo da selvatico a mutante Mutazioni inverse o retromutazioni o reversioni Riconvertono il fenotipo mutante in quello selvatico Reversione vera Reversione di sito o parziale Mutazioni per soppressione Mascherano o compensano gli effetti di una precedente mutazione
Reversioni vere e reversioni parziali
Soppressione Esempio: mutazione frameshift di segno opposto in un secondo sito
Tasso di mutazione: n. di mutazioni per generazione di organismi o divisione cellulare. Indica la probabilità di comparsa di una particolare mutazione per generazione di organismi o per divisione cellulare Frequenza di mutazione: n. di mutazioni in una popolazione di individui o cellule
Mutazioni indotte e agenti mutageni UV Fisici radiazioni calore ionizzanti Agenti mutageni Chimici analoghi delle basi modificanti le basi intercalanti Biologici elementi trasponibili Qualunque elemento presente nell ambiente che aumenti in maniera significativa il tasso di mutazione al di sopra di quello spontaneo viene detto MUTAGENO
Agenti mutageni fisici Le radiazioni UV
Agenti mutageni fisici Le radiazioni ionizzanti Effetti delle radiazioni ionizzanti (raggi x, gamma e cosmici) sul DNA
Agenti mutageni chimici Gli analoghi delle basi il 5-bromo-uracile Causa sostituzioni di base del tipo transizioni: AT GC e GC AT poiché può appaiarsi sia con l A sia con la G
Agenti mutageni chimici Agenti modificanti le basi: Alchilanti L etilmetanosulfonato O C 2 H 5 O S CH 3 O Causa sostituzioni di base del tipo transizioni:gc AT e TA CG
Agenti mutageni chimici Agenti modificanti le basi: Deaminanti
Agenti mutageni chimici Gli agenti intercalanti Causano inserzioni e delezioni di singole coppie di basi
Test di Ames
MECCANISMI DI RIPARAZIONE DEL DNA
Sistemi di riparo. A) l attività proof-reading della DNA polimerasi: attività esonucleasica 3-5
Sistemi di riparo. B) fotoriattivazione dei dimeri di pirimidine Tipico dei procarioti e degli eucarioti inferiori. Assente nell uomo
Sistemi di riparo. C) riparazione dei danni da alchilazione
Sistemi di riparo. D) la riparazione per escissione di nucleotidi
Sistemi di riparo. E) la riparazione per escissione di basi e quella mediata da endonucleasi AP
Sistemi di riparo. F) la riparazione per correzione di appaiamento errato 1. Riconoscere le coppie di basi non correttamente appaiate 2. Determinare quale base nella coppia è quella non corretta 3. Effettuare l escissione della base non corretta e la sintesi riparativa
Sistemi di riparo. G) la riparazione per ricombinazione
4 Malattie umane dovute a difetti nella riparazione del DNA Disease Sensitivity Cancer susceptibility Symptoms Ataxia telangiectasia γ irradiation Lymphomas 5 Ataxia, dilation of blood vessels (telangiectases) in skin and eyes, chromosome aberrations, immune dysfunction Bloom syndrome Cockayne syndrome Mild alkylating agents UV light Carcinomas, leukemias, lymphomas 1 Photosensitivity, facial telangiectases, chromosome alterations 2 Dwarfism, retinal atrophy, photosensitivity, progeria, deafness, trisomy 10 Fanconi anemia Cross-linking agents Leukemias 3 Hypoplastic pancytopenia, congenital anomalies Xeroderma pigmentosum UV light, chemical mutagens Skin carcinomas and melanomas 8 Skin and eye photosensitivity, keratoses HNPCC Colon, ovary Early development of tumors