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Mutazioni somatiche e germinali Progenie normale Tessuto somatico Tessuto germinale Clone cellulare mutante Progenie normale Progenie mutante Mutazione.

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Presentazione sul tema: "Mutazioni somatiche e germinali Progenie normale Tessuto somatico Tessuto germinale Clone cellulare mutante Progenie normale Progenie mutante Mutazione."— Transcript della presentazione:

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

2 TASSO DI MUTAZIONE E FREQUENZA DI MUTAZIONE Il tasso di mutazione misura la frequenza con cui una mutazione si origina ex novo in ununità di tempo biologico (di solito una generazione) La frequenza di mutazione misura la frequenza della mutazione in una popolazione nel momento dellosservazione Il tasso di mutazione è di una nuova mutazione ogni 7 divisioni cellulari La frequenza di mutazione nella 4° generazione è di 2 mutanti su 8 cellule

3 Lanalisi dei mutanti nei batteri: il piastramento in replica Terreno non selettivo Terreni selettivi

4 Il test di fluttuazione sullorigine delle mutazioni Numerosità iniziale in ogni provetta: 10 5 batteri Numerosità finale in ogni provetta: 1,6x10 6 batteri Tasso di mutazione: 1 ogni 10 7 batteri per generazione Frequenza attesa di provette in cui la mutazione è avvenuta alla 4°generazione: 8 su 100 frequenza attesa di mutanti in quelle provette alla 5° generazione: 2 Frequenza attesa di provette in cui la mutazione è avvenuta alla 2° generazione: 2 su 100 frequenza attesa di mutanti in quelle provette alla 5° generazione: 8 Si è effettivamente verificato che poche provette avevano molti mutanti (mutazioni precoci) e molte avevano pochi mutanti (mutazioni tardive) Dunque le mutazioni preesistono al trattamento, che quindi non le induce ma le seleziona soltanto: le mutazioni non sono adattative

5 Danno al DNA e sua riparazione: origine delle mutazioni Mutazioni spontanee: p. es. tautomeria H C C C H H C C N H N O O C T H N C C N C H C N N N H H C C H A N C C N C H C N N O C C G N H H H Mutazione genica: transizione AT > GC C H H C C C C N H N O C N H Mutazioni indotte: p. es. da UV Dimero di Timina TT AA TT AA UV Luce solare Fotoriattivazione: riparazione corretta TT AA TT AA Riparazione per escissione: corretta Escissione di basi Escissione di nucleotidi DNA mutato Riparazione SOS: soggetta a errore Mutazione genica Raggi X Mutazioni indotte: p. es. da raggi X Riparazione per ricombinazione omologa: corretta Cromatidi fratelli Cromosomi diversi Riparazione per ricombinazione non omologa: soggetta ad errore Mutazione cromosomica strutturale

6 Mutazioni Geniche e fenotipi Mutazione genica: evento per cui un gene si trasforma da una forma allelica ad unaltra 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 unalterazione della forma dellorganismo. Mutazioni letali,subletali, detrimentali: mutazioni che determinano la morte, la bassissima sopravvivenza o il danneggiamento dellorganismo. 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.

7 Mutazioni Geniche e effetti molecolari Mutazioni per sostituzione di base: Sinonima: la tripletta mutata viene trascritta in un codone che codifica lo stesso aminoacido Non sinonima: la tripletta mutata viene trascritta in un codone che codifica un altro aminoacido. Senza senso: la tripletta mutata viene trascritta in un codone di terminazione (vedere 3° credito). Tutte le mutazioni geniche: Con perdita di funzione: lallele che ne deriva è un allele recessivo il cui prodotto ha perso la propria attività biologica (knock out). Con acquisto di funzione: lallele che ne deriva è un allele dominante il cui prodotto ha modificato la propria attività biologica, rendendola incondizionata. Silente: lallele che ne deriva non modifica lattività biologica del proprio prodotto.

8 Mutazioni cromosomiche strutturali abcdeabcde bcbc d abcdabcd abeabe abcddeabcdde abdceabdce abab adcbeadcbe cdecde fghilfghil abcdgfabcdgf fgefge abcdabcd hilhil Delezione terminale Delezione interstiziale Duplicazione Anello Dicentrico Inversione paracentrica Inversione pericentrica + Fissione centrica Fusione centrica + Traslocazione reciproca

9 Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 1: una rottura ABCABC ABAB ROTTURA DELEZIONE TERMINALE (instabile) SI PERDE IL FRAMMENTO ACENTRICO C ABAB ABAB SI POSSONO SALDARE LE ESTREMITA DI ROTTURA, DOPO LA REPLICAZIONE DEL CROMOSOMA A B B A I 2 CROMATIDI FRATELLI, SALDATI RECIPROCAMENTE, NON SI POSSONO SEPARARE IN ANAFASE… … OPPURE SI ROMPONO.

10 A A B C C Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 2: crossing over ineguale ABCABC ABCABC APPAIAMENTO IRREGOLARE CROSSING OVER INEGUALE ABBCABBC ACAC DELEZIONE INTERSTIZIALE (stabile) DUPLICAZIONE IN TANDEM (stabile) complementari ABBCABBC ABBCABBC APPAIAMENTO IRREGOLARE ABCABC ABCABC B B ABBBCABBBC ABCABC TRIPLICAZIONE IN TANDEM (stabile) CROMOSOMA NORMALE Su unaltra scala (di- trinucleotidi) questo meccanismo può spiegare lespansione dei microsatelliti, alla base di gravi patologie umane

11 Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 3: due rotture su due bracci diversi dello stesso cromosoma ABCDEFABCDEF F B E A C D F B E A C D SI PERDE IL FRAMMENTO ACENTRICO ANELLO (instabile) F B E A C D B C D ADCBEFADCBEF INVERSIONE PERICENTRICA (stabile) F E A 2 rotture

12 Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 4: due rotture sullo stesso braccio dello stesso cromosoma ABCDEFABCDEF SI PERDE IL FRAMMENTO ACENTRICO DELEZIONE INTERSTIZIALE (stabile) ABDCEFABDCEF INVERSIONE PARACENTRICA (stabile) F C E D B A F C E D B A C D F E B A F C E D B A

13 Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 5: due rotture su due cromosomi diversi ABCDEFABCDEF GHILMNGHILMN ABCDEFABCDEF GHILMNGHILMN ABCABC GHILGHIL ABCDEFABCDEF GHILMNGHILMN 2 rotture SI PERDE IL FRAMMENTO ACENTRICO MNMN DEFDEF ABCMNABCMN GHILDEFGHILDEF Cromosoma Dicentrico (instabile) TRASLOCAZIONE RECIPROCA STABILE

14 Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali 6: riordinamenti al livello del centromero 2 rotture SI PUO PERDERE IL CROMOSOMA PUNTIFORME FISSIONE CENTRICA STABILE ABAB CDEFCDEF ABAB FEDCFEDC ABAB FEDCFEDC ABCDEFABCDEF FUSIONE CENTRICA STABILE ?

15 Mutazioni numeriche aneuploidi Gamete (spora) aploide (n) Cellula diploide (2n) Cellula trisomica (2n+1) Cellula monosomica (2n-1) Cellula tetrasomica (2n+2) Cellula nullisomica (2n-2) Cellula con aneuploidia multipla Gamete (spora) disomico (n+1) Gamete (spora) nullisomico (n-1) Gamete (spora) trisomico (n+2) Gamete (spora) con aneuploidia multipla

16 Origine di mutazioni numeriche 1: non disgiunzione, monosomie e trisomie 2n +1 2n - 1 Non disgiunzione Il risultato di una non- disgiunzione alla mitosi è la comparsa di cellule monosomiche e trisomiche 2 (n +1) 2 (n – 1) Non disgiunzione Il risultato di una non- disgiunzione alla meiosi I è la comparsa di paia di gameti nullisomici e disomici n +1 n - 1 Non disgiunzione Il risultato di una non- disgiunzionemplici alla meiosi II è la comparsa di gameti nullisomici e disomici Se i gameti nullisomici e disomici partecipano alla fecondazione con gameti aploidi normali, ne risultano zigoti monosomici e trisomici rispettivamente MitosiMeiosi I Meiosi II

17 NON DISGIUNZIONE E ANEUPLOIDIE DEI CROMOSOMI SESSUALI Gameti X w+ Y X w X w X w X w+ LETALE X w X w Y 0 X w+ sterile Y LETALE P X w X w X w+ Y X w X w+ X w Y F1F1 Progenie normale X w X w Y X w+ Progenie eccezionale (1/2000) Non disgiunzione in un oocita aneuploidia XXYX0 drosofila uomo In drosofila il sesso è determinato dal rapporto numerico fra autosomi e cromosomi X Nelluomo il sesso è determinato dalla presenza/assenza del cromosoma Y

18 Mutazioni numeriche euploidi Cellula diploide (2n) Gamete (spora) aploide (n) Cellula triploide (3n) Gamete (spora) diploide (2n) Cellula autotetraploide (4n) Cellula monoploide (n) Cellula allotetraploide (2n+2n) Gamete (spora) anfidiploide (n+n)

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

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

21 ALLOPOLIPLOIDIA: gli ibridi anfidiploidi Fecondazione interspecifica, fra specie diverse ma compatibili, con sviluppo dellibrido MEIOSI ABORTIVE, STERILITA Zigote anfidiploide ibrido, vitale inividuo anfidiploide ibrido, vitale ma sterile Successive divisioni mitotiche, differenziamento I cromosomi non sono a 2 a 2 omologhi: in 1° divisione meiotica non riescono ad appaiarsi e segregano casualmente Di conseguenza i gameti sono sbilanciati geneticamente, quindi sterili

22 Salto di una mitosi nella linea germinale Meiocita allotetraploide Fecondazione fra gameti anfidiploidi ZIGOTE ALLOTETRAPLOIDE INDIVIDUO ALLOTETRAPLOIDE FECONDO 1° DIVISIONE MEIOTICA NORMALE GAMETE ANFIDIPLOIDE ALLOPOLIPLOIDIA: origine di individui allopoliploidi Cellula anfidiploide

23 Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): Mutazioni sbilanciate (duplicazioni e delezioni in eterozigosi, trisomie e monosomie) A B B A B AAAA a b Un individuo eterozigote per una mutazione sbilanciata produce metà gameti normali e metà gameti sbilanciati GAMETI NORMALI 50% GAMETI SBILANCIATI 50% Con duplicazioneCon delezioneDisomico Nullisomico ALTRI EFFETTI GENETICI: soppressione del crossing over entro la regione deleta; pseudodominanza (la delezione di un allele dominante consente lespressione di un allele recessivo) Eterozigote per una duplicazione Eterozigote per una delezione TrisomicoMonosomico

24 Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): inversioni paracentriche in eterozigosi Crossing over allinterno dellansa fra i geni B e C C B D A E C B D A E Il frammento acentrico si perde Il cromatidio dicentrico è instabile: forma un ponte di cromatina che si rompe e si perde A D C B E C D E B E ABAB CDACDA A B C D E I gameti con i prodotti del crossing over nella regione invertita (2 su 4) non sono vitali Anafase I EFFETTI GENETICI: soppressione dei prodotti del crossing over entro la regione invertita; riduzione della fecondità.

25 Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): inversioni pericentriche in eterozigosi Crossing over allinterno dellansa fra i geni B e C Anafase I I gameti con i prodotti del crossing over nella regione invertita (2 su 4) sono sbilanciati, con delezioni e duplicazioni complementari; quindi non sono vitali o lo sono poco A B C D E E D C B E A D C B A A D C B E C B D A E C B D A E Cromatidi sbilanciati Anafase II EFFETTI GENETICI: soppressione dei prodotti del crossing over entro la regione invertita; riduzione della fecondità.

26 Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): traslocazioni reciproche in eterozigosi C A B C D D E F A B E F C A B C D D E F A B E F Anafase I Segragazione adiacente: si formano coppie di gameti sbilanciati con delezioni e duplicazioni complementari Segregazione alternata: si formano coppie di gameti bilanciati: 2 con i cromosomi normali e 2 con i cromosomi traslocati EFFETTI GENETICI: pseudoassociazione fra i geni dei cromosomi coinvolti; riduzione della fecondità.

27 Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): fusioni centriche in eterozigosi A B C A B C A B C A B C A B C A B C Segragazione con non disgiunzione secondaria: si formano coppie di gameti sbilanciati con nullisomie e disomie complementari Segregazione corretta: si formano coppie di gameti bilanciati: 2 con i cromosomi normali e 2 con il cromosoma fuso EFFETTI GENETICI: pseudoassociazione fra i geni dei cromosomi coinvolti; riduzione della fecondità.

28 La trasposizione (ATGGC)n(GCCAT)n Sequenze specifiche Geni per la trasposizione La trasposizione consiste nello spostamento di segmenti cromosomici da un sito cromosomico allaltro, grazie a particolari sequenze fiancheggiatrici e a enzimi (tra cui le trasposasi), i cui geni sono spesso inserite allinterno degli elementi trasponibili. La trasposizione ha talvolta effetti mutageni specifici: il sistema degli elementi trasponibili Ac e Ds nel mais producono la rottura dei cromosomi nel sito di provenienza di Ds e linattivazione del gane Wx, in cui si inserisce Ds, inducendone la mutazione. Elemento trasponibile Ds

29 La retro-trasposizione Sequenze specifiche Geni per la trasposizione La retro-trasposizione consiste nella trascrizione come RNA di segmenti cromosomici, che vengono retro-trascritti come DNA che si inserisce in altri siti cromosomici. La retro-trasposizione è il meccanismo che consente lallungamento delle sequenze telomeriche in Drosophila sequenza trasponibile telomerica trascrizionecromosoma RNA retrotrascrizione DNA

30 Test di mutagenesi: i loci specifici AABBCCDD Trattamento mutageno ABCD gameti normali (999) X aabbccdd AbCD gamete mutato (1) abcd gameti (1000) AaBbCcDd AabbCcDd Dose mutageno % mutanti% mutanti

31 Test di mutagenesi: ClB X P Trattamento con agente mutageno + + l C B+ + X Y Raramente l C B+ + X X Y F1 + + l* l C B + l C B 21 : X l C B F2 X Y l C B X 21 : + + l* Assenza di

32 EFFETTI BIOLOGICI DELLE MUTAZIONI: 1 mutazioni germinali, precoci e somatiche 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 loro specifico effetto biologico. 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 4) AUTOPOLIPLOIDIE: sono mal tollerate negli animali, ben tollerate nelle piante. 5) ALLOPOLIPLOIDIE: sono ben tollerate nelle piante e del tutto feconde. Le mutazioni che insorgono nello zigote, durante la segmentazione o nelle prime fasi dellembriogenesi, eventualmente prima della distinzione fra cellule somatiche e germinali sono le MUTAZIONI PRECOCI, che determinano il loro effetto in settori del corpo tanto più ampi quanto più precoce è la mutazione; sono una delle cause del MOSAICISMO (presenza di cellule con due o più genotipi diversi in un individuo). Le mutazioni che insorgono nelle cellule somatiche sono le MUTAZIONI SOMATICHE, che determinano il loro effetto in settori limitati delle cellule somatiche.

33 EFFETTI BIOLOGICI DELLE MUTAZIONI: 2 mutazioni somatiche e cancro Il cancro viene indotto da una successione di mutazioni somatiche che coinvolgono geni connessi al controllo della proliferazione cellulare e che conferiscono ai cloni cellulari mutati una proliferazine incontrollata. Cellule normali Displasia Cancro Metatstasi Mutazioni somatiche La predisposizione genetica al cancro consiste in genotipi che derivano dalla trasmissione ereditaria via linea germinale di assetti genetici (alleli, cromosomi mutati etc) e che facilitano linsorgenza di tumori: p. es. genotipi difettivi per la riparazione del DNA danneggiato, come lomozigosi per gli alleli recessivi di Xeroderma pigmentosum, difettiva per la riparazione da escissione (diapositiva 5), aumentano il tasso delle mutazioni somatiche. p. es. genotipi potenzialmente difettivi per il controllo del ciclo cellulare, come leterozigosi per gli alleli recessivi di RB1, che in omozigosi non controllano pù il passaggio da G1 a S, consentendo una proliferazione indiscriminata. mutageni

34 Mutazioni e cancro I meccanismi principali per cui le mutazioni somatiche innescano la trasformazione tumorale sono 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 delle regioni cromosomiche adiacenti o addirittura si formano geni ibridi; alterazione del dosaggio genico in seguito a mutazioni cromosomiche sbilanciate o ad amplificazione; pseudodominanza o perdita di eterozigosità per cui si manifestano alleli recessivi in seguito alla perdita dei corrispondenti alleli dominanti in seguito a delezione, monosomia o ulteriori mutazioni alleliche verso lallele recessivo. Le mutazioni somatiche che portano al cancro riguardano in particolare: a) geni che tutelano la stabilità del ganoma – protezione- riparazione del DNA (p. es. Xp); b) geni oncosoppressori che controllano la progressione nel ciclo cellulare (p. es RB1); c) protooncogeni, che inducono la proliferazione cellulare in seguito a stimoli specifici (p. es. ABL). SG1G1 GoGo pRB1 pABL Induzione Controllo RB1 RB1- Cromosoma 13 RB1- Delezione - pseudodominanza ABL Cromosoma 22 BCR Cromosoma 9 Traslocazione – gene ibrido BCR-ABL Cromosoma Philadelphia


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