SIAMO TUTTI DIVERSI Ogni individuo della specie umana (esclusi i gemelli monozigoti) nasce e rimane geneticamente diverso dagli altri le sue risposte AGENTI.

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1 SIAMO TUTTI DIVERSI Ogni individuo della specie umana (esclusi i gemelli monozigoti) nasce e rimane geneticamente diverso dagli altri le sue risposte AGENTI FISICI AGENTI CHIMICI AGENTI BIOLOGICI (farmaci inclusi) possono essere diverse cariotipo ottenuto da linfocita umano eterogeneità genetica nelluomo è diploide Linsieme dei cromosomi di una cellula somatica e delle cellule germinali immature è detto corredo cromosomico la diploidicità è una condizione necessaria per poter realizzare alcuni dei meccanismi responsabili della eterogeineità umana la diploidicità è anche una forma di difesa contro mutazioni che alterano la funzione della proteina espressa Linsieme delle caratteristiche morfologiche di un particolare corredo cromosomico

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3 I geni sono predisposti in ordine prestabilito e rigoroso nei CROMOSOMI OMOLOGHI locus Omozigote per un certo carattere, lindividuo che porta nei propri cromosomi omologhi due copie identiche del gene che codifica per quel carattere. particolare carattere particolare carattere Eterozigote per un certo carattere, lindividuo che porta nei propri cromosomi omologhi due copie diverse (alleli) del gene che codifica per quel carattere. Un gene può avere più di due copie diverse (serie allelica). Lesistenza di molti alleli per un solo gene è la base della individualità degli esseri viventi. La presenza di alleli diversi di uno stesso gene è detta anche polimorfismo.

4 CAUSE DELLETEROGENEITÀ GENETICA MEIOSI POLIMORFISMO GENETICO MUTAZIONI DOMINANZA RECESSIVITÀ CODOMINANZA Nature 409: 822-823 (2001). crossing-over

5 EVENTI PRINCIPALI NELLA MEIOSI Il corredo cromosomico aploide di ogni gamete è diverso da quello di ogni altro gamete prodotto dallo stesso individuo perché durante la meiosi si ha distribuzione casuale dei cromosomi omologhi e crossing-over 2n materno paterno REPLICAZIONE DEL DNA ricombinazione genetica crossing-over 4n I DIVISIONE CELLULARE II DIVISIONE CELLULARE (senza replicazione) 2n 1n (cellula premeiotica) distribuzione casuale dei cromosomi omologhi il luogo dove avviene lo scambio di pezzi di cromosomi omologhi è il chiasma la possibilità di ricombinazione fra due geni è inversamente proporzionale alla loro distanza relativa (la presenza del chiasma impedisce il verificarsi di un altro crossing over nelle sue vicinanze, interferenza) meccanismo di crossing-over appaiamento dei cromosomi omologhi (ogni coppia è unita a livello di centromeri) nuove combinazioni di geni a b c d e

6 (si sviluppa a caso da uno dei 4 prodotti meiotici) DIFFERENZE NELLA MEIOSI4 1 3 Nella specie umana, la meiosi nella femmina non è completata fini dopo la fecondazione

7 POLIMORFISMO Quando in una popolazione esistono 2 o più alleli sebbene rari sono presenti nella popolazione con frequenza anche bassa ma significativa polimorfismo genetico Quando lallele più comune in tutta la popolazione rappresenta: meno del 98% più del 98% polimorfismo in un dato locus la presenza dellallele meno ricorrente è dovuta a mutazione QUASI TUTTI, SE NON TUTTI I GENI, SONO POLIMORFICI Dati biochimici ottenuti osservando la mobilità elettroforetica di circa 70 enzimi circa il 28% dei geni umani è polimorfico un individuo è eterozigote nel 7% dei suoi loci tuttavia 20% perché mediante elettroforesi si possono valutare solo le sostituzioni che portano a variazione di carica Lanalisi del DNA permette di valutare anche gli alleli che pur avendo tra loro una sequenza nucleotidica diversa a causa della degenerazione del codice genetico codificano la stessa sequenza aa (la proteina ha la stessa mobilità elettroforetica) altri alleli proteina modificata di 1 o 2 aa simili (non modificano né carica né funzione) sostituzione conservativa (es. Asp con Glu) Solo se la sostituzione pur alterando la carica della proteina non ne altera lattività si possono separare le isoforme proteiche se ne può valutare la presenza Il polimorfismo è rivelato con lelettroforesi

8 A A GENE piccole variazioni di sequenza aa normale attività biologica MA valori > o < di proprietà che contribuiscono allattività biologica e/o proprietà accessorie nuove, minori (che modificano poco la funzione della proteina): stabilità (vita della proteina nella cellula); valore di Vmax per gli enzimi; grado di sensibilità agli effettori; grado di sensibilità a composti esogeni, farmaci inclusi. GENE si manifestano quando un individuo cambia alimentazione si sposta da un ambiente ad un altro è costretto a fare uso di farmaci Il subdolo di queste proprietà è imputato al fatto che le proteine prodotte da alleli diversi dello stesso gene avrebbero valori diversi di sensibilità allo stesso fattore ambientale (es. affinità per una molecola esogena inibitrice)

9 Eterogeneità genetica e sensibilità a molecole esogene individuo A individuo B gene Z gene W omozigote per lallele 1 omozigote per lallele 1 omozigote per lallele 1 omozigote per lallele 2 enzima Z1Z1 insensibile alla molecola esogena (es. farmaco) W1W1 W1W1 Z2Z2 sito responsabile della proprietà minore W1W1 enzima inibito (effetto collaterale) Z2Z2 enzima inibito (effetto voluto) W1W1 enzima inibito (effetto collaterale)

10 DOMINANZA, RECESSIVITÀ, CODOMINANZA DOMINANTE alleli che manifestano completamente il loro fenotipo (trait, caratteristica genetica) anche in condizioni di eterozigosi (cioè in presenza di un diverso allele omologo) RECESSIVO è riferito allallele che si manifesta solo in condizioni di omozigosi (alleli identici nello stesso locus) CODOMINANTE è la condizione di eterozigosi in cui si possono osservare le caratteristiche di ambedue gli alleli. Es. gruppo sanguigno AB: codominanza degli alleli A e B 00 AB

11 CONSIDERAZIONI SULLA ETEROGENEITÀ GENETICA le permette di rispondere ai cambiamenti rapidi dellambiente che selezionano positivamente alcuni individui Leterogeneità genetica degli individui è importante per la sopravvivenza di una specie conoscenza delleterogeneità genetica degli individui di una stessa specie comprensione naturale o sintetica AMBIENTE inalata assunta con gli alimenti somministrata come farmaco possa provocare influenze di tipo ed entità diverse in individui diversi Per mostrare a livello molecolare come individui diversi rispondono in maniera diversa allazione della stessa molecola, si può fare lipotesi che la molecola sia un farmaco alcuni individui rispondono positivamente altri non subiscono alcuna influenza positiva alcuni non subiscono effetti negativi alcuni subiscono anche effetti negativi alcuni non subiscono effetti negativi alcuni subiscono anche effetti negativi

12 Se due soggetti possiedono alleli diversi codificanti la stessa proteina enzimatica la cui attività deve essere attivata per favorire leffetto FARMACO Per poter agire deve associarsi con un certo grado di specificità ad un componente cellulare + - catena di aminoacidi modificare la fisiologia cellulare legami deboli con residui aa stessa attività catalitica e di regolazione diverso residuo che non Altera le caratteristiche funzionali associa il farmaco non associa il farmaco o cè < affinità Si spiega così anche leffetto collaterale dei farmaci I farmaci con minor effetti collaterali sono quelli che interagiscono con le proteine nel sito di legame di un suo ligando naturale (es. sito di legame del substrato e siti di regolazione da effettore)

13 QUALCHE TIPO DI POLIMORFISMO Alleli RFLP- restriction fragment length p… In tutti gli organismi vi sono variazioni naturali nella sequenza del DNA distribuite in tutto il genoma Poiché gran parte del genoma umano non codifica proteine (DNA in eccesso), è tollerato che nelluomo vi sia un grande numero di variazioni nella sequenza Esoni (geni = circa 1000 copie di basi) Introni Pseudogeni (copie multiple non funzionanti) Famiglie di sequenze di basi altamente ripetitive (microsatelliti usate come fingerprint 25-35%) non più del 5% del DNA è trascritto; il 95% è silente (secondo alcuni una parte di questo è junk DNA) nelluomo ci sono differenze individuali di sequenza ogni 200 nucleotidi SNP- single nucleotide p… Tandem repeat p… polimorfismi che alterano la lunghezza dei frammenti di restrizione Risultano da: cambiamenti (e.g. SNPs) che introducono o alterano un sito di restrizione differenze nel numero di copie di un Tandem Repeats (TRPs)

14 POLIMORFISMO DELLA LUNGHEZZA DEI FRAMMENTI DI RESTRIZIONE (RFLP) situazione dei cromosomi bande dopo la ibridazione la mutazione nel sito a 2 impedisce il taglio endonucleasi di restrizione A endonucleasi di restrizione B sonda che riconosce una singola regione del genoma MW Enzima A Enzima B a2a2 a3a3 a3a3 a1a1 b1b1 b2b2 b2b2 b1b1 a1a1 Lelettroforesi separa il DNA in base alle dimensioni DNA migra verso il polo positivo Le molecole piu grandi si muovono piu lentamente

15 ALLELI mutazionemutazione GACGAC CTGCTG GACGAC GTCGTC Allele 2 Allele 1 Allele 2 CTGCTG GACGAC GACGAC GTCGTC (alleli 1 e 2) allele 2 allele 1 Nelluomo i polimorfismi sono spesso associati conalterazioni di una singola base

16 COME COMPAIONO I POLIMORFISMI? Un numero finito di MUTAZIONI avviene spontaneamente nella sequenza del DNA altre avvengono nella sequenza codificante normalmente non hanno effetto sulla funzionalità alcune si verificano nelle sequenze non codificanti sequenze proteiche alterate alterazione della struttura diminuzione dellespressione perdita dellespressione Poiché unalterazione nella sequenza del DNA colpisce tutte le copie della proteina codificata, le mutazioni possono essere particolarmente dannose gene proteina DNA cromosomi Al contrario, ogni alterazione nella sequenza dellRNA o di proteine che avviene durante la loro sintesi è meno grave perché di queste molecole ne vengono sintetizzate molte copie

17 TIPI DI MUTAZIONI GENOTIPO FENOTIPO è linsieme dei geni di un individuo funzioni e laspetto fisico dellindividuo denota se un individuo è portatore di una mutazione definisce le conseguenze fisiche e funzionali del genotipo MUTAZIONE RECESSIVA quando entrambi gli alleli devono essere mutati per poter osservare il fenotipo mutante; lindividuo deve essere omozigote per lallele mutante MUTAZIONE DOMINANTE le conseguenze fenotipiche di una mutazione si possono osservare anche in un eterozigote inattivano il gene colpito e portano a perdita di funzione possono rimuovere in parte o completamente un gene dal cromosoma possono alterare la struttura della proteina codificata e quindi la funzione possono distruggere lespressione della proteina portano a guadagno di funzione

18 MUTAZIONI PUNTIFORMI E PICCOLE DELEZIONI Sequenze normali amminoacidi Mutazioni di senso (missense) Mutazioni non senso (nonsense) mRNA DNA N-PheArgTrp Ile Ala Asn-C 5-UUUCGAUGGAUA GCC AAU-3 3-AAA 5-TTT GCT CGA ACC TGG TAT ATA CGG GCC TTA-5 AAT-3 amminoacidi DNA N-LeuArgTrp Ile Ala Asn-C 3-AAT 5-TTA GCT CGA ACC TGG TAT ATA CGG GCC TTA-5 AAT-3 amminoacidi DNA N-PheArg 3-AAA 5-TTT GCT CGA ATC TAG TAT ATA CGG GCC TTA-5 AAT-3 Stop Slittamento per inserzione (frameshift) amminoacidi DNA N-PheArg 3-AAA 5-TTT GCT CGA ACC TGG ATA TAT TCG AGC GTT-5 CAA-3 Slittamento per delezione (frameshift) amminoacidi DNA N-PheGly 3-AAA 5-TTT CCT GGA ATC TAG GGT CCA TA-5 AT-3 Trp Tyr Ser Gln Stop GCTA CGAT

19 ABERRAZIONI CROMOSOMICHE Inversione Delezione Traslocazione bilanciata Inserzione ABCDE ABDCE ABCDE ABE I I ABCDE WXYZ I II ABCZ WXYDE ABCDE WXYZ I ABCX W Y Z DE

20 AGENTI MUTAGENI Le mutazioni possono essere causate anche dall esposizione dellorganismo ad alcuni FATTORI AMBIENTALI MUTAGENI CHIMICI analoghi delle basi nucleotidiche (es. 5-bromouracile) reattivi degli acidi nucleici (es. nitrito di sodio, usato come antiossidante negli alimenti) agenti intercalanti le basi del DNA (es. acridine, usate come coloranti) MUTAGENI FISICI radiazioni elettromagnetiche RADIAZIONIIONIZZANTI F(Hz) lunghezza donda ULTRAVIOLETTOlampade germicide VISIBILE luce laser-fibre ottiche INFRAROSSO calore MICROONDE ONDE RADIO ONDE HERZIANE CORRENTItelefonia ALTERNATElinee di rete Trasmissioni intercontinentali radar radarterapia TV telefonia cellulare MF ponti radio marconiterapia radioterapia radiografia X 50 6*10^Km 3K 100Km 30K 10Km 300M 1m 300G 1mm 3*10^5G 10^-3mm 12/h=3*10^6G 3*10^7G mutazioni puntiformi dimeri di timina aberrazioni cromosomiche

21 ANEMIA FALCIFORME