1 MUTAZIONI

2 Qualsiasi cambiamento PERMANENTE nella sequenza nucleotidica del genoma di un organismo, o del materiale genetico extracromosomico (es. plasmidi, DNA mitocondriale) Mutazione E’ un evento RARO La mutazione è CASUALE e genera delle innovazioni che possono essere utili o dannose

3 Dal punto di vista selettivo una mutazione può risultare: Vantaggiosa  l’organismo che la porta ha una “fitness” (capacità riproduttiva) maggiore Svantaggiosa  l’organismo che la porta ha una fitness minore Neutra  non influenza la fitness di chi la porta Mutazioni e selezione

4 L’effetto delle mutazioni va sempre correlato all’ambiente in cui l’organismo si trova: una data mutazione può rivelarsi svantaggiosa (o neutra) in un dato ambiente, vantaggiosa in un altro Mutazioni e selezione

5 Esistono centinaia di diverse emoglobine mutanti in tutta la popolazione umana. Molte di queste forme mutanti sono dannose e danno origine a forme patologiche. Altre sono "neutre" e non sembra arrechino ai portatori ne’ vantaggi ne’ svantaggi.

6 Mutazione anemia falciforme (sostituzione Glu-Val in catena  dell’emoglobina) vantaggiosa o svantaggiosa? Mutazioni e selezione

7 un gene mutato, molti sintomi Dolore, ulcere alle gambe, danni a ossa, polmoni, reni, occhi, calcoli biliari, ittero, anemia, ritardo di crescita Gli omozigoti SS non si riproducono a causa della grave malattia genetica; in omozigosi è sicuramente svantaggiosa in qualsiasi ambiente. Un unica sostituzione aminoacidica nell’emoglobina Fenotipo degli omozigoti per la mutazione  S (anemia falciforme)

8 Mutazione  S e malaria Portatore sano Wt/  S Affetto  S/  S Omozigote selvatico Wt/Wt neutro svantaggioAmbiente NON malarico leggero svantaggio leggero vantaggio svantaggioAmbiente malarico

9 In zone malariche i portatori (eterozigoti per la mutazione  S) sono avvantaggiati rispetto agli omozigoti selvatici. In ambiente non malarico i portatori e gli omozigoti per l’allele selvatico hanno la stessa fitness. Selezione a favore dell’eterozigote La resistenza alla malaria degli eterozigoti è dovuta al fatto che il Plasmodio non riesce a completare il suo ciclo nei loro globuli rossi, a vita breve

10 Il vantaggio dell’eterozigote nelle regioni malariche Alcune varianti alleliche del gene  (la variante  S in Africa, le varianti  Thal nel Mediterraneo) di per sé dannose, hanno frequenze elevate in regioni malariche (o ex malariche). L’alta frequenza (fino al 30%) dell’allele S o dell’allele  hal nelle regioni malariche, è dovuta al fatto che l’eterozigote, a differenza dell’omozigote sano (che possiede due alleli  normali), non si ammala di malaria quindi ha > probabilità di riprodursi trasmettendo i suoi geni (quindi anche l’allele S o  Thal) alla progenie rispetto al wild type

11 Mutazioni germinali e somatiche Per quanto riguarda la sede della mutazione è necessario distinguere: a) mutazioni germinali che colpiscono i gameti e possono essere trasmesse alla prole. L’individuo ha una mutazione solo nei gameti, mentre a livello somatico le sue cellule sono normali

12 Mutazioni germinali e somatiche b) mutazioni somatiche che colpiscono le cellule somatiche e si esauriscono nell’individuo. La mutazione viene trasmessa attraverso la mitosi alla progenie della cellula colpita in origine = l’individuo sarà un mosaico

13 Mosaicismo Mutazione che interviene in una cellula dello zigote o dell’embrione Tutte le cellule che originano da questa cellula porteranno la mutazione Coesistenza di 2 o + linee cellulari geneticamente distinte nello stesso individuo Se cellule che portano la mutazione sono progenitrici dei gameti la mutazione resterà confinata alla linea germinale Oppure le cellule portatrici di mutazione sono cellule della linea somatica

14 Mosaicismo somatico

15 Mosaicismo somatico e cancro Mutazioni che colpiscono geni coinvolti nel controllo del processo di divisione cellulare possono portare a una sregolazione della replicazione cellulare stessa

16 Estensione della mutazione Può essere minima, riguardare cioè una singola o poche coppie di basi nel DNA  MUTAZIONE PUNTIFORME oppure implicare regioni piu’ estese dentro un gene (es delezione parziale o totale di un gene)  MUTAZIONE GENICA fino anche a grosse porzioni del genoma  MUTAZIONE CROMOSOMICA

17 -anomalie di numero POLIPLOIDIE conseguenza di anomalie nella fecondazione ANEUPLOIDIE conseguenza di errori di segregazione dei cromosomi durante la formazione dei gameti Mutazioni cromosomiche

18 presenza di un numero di cromosomi corrispondente a un multiplo del corredo aploide (n) Poliploidia

19 presenza di un numero di cromosomi corrispondente a un multiplo del corredo aploide (n). Es: triploidia 3n Poliploidia Origine della triploidia: difetto di fertilizzazione uovo aploide fecondato da due spermatozoi aploidi fecondazione tra gamete diploide e gamete aploide

20 Nelle piante è possibile indurre la poliploidia usando determinate sostanze chimiche colchicina Non disgiunzione meiotica Gameti diploidi

21 La poliploidia è comune nelle felci, nelle piante da fiore, nel frumento, sia in natura che nelle varietà selezionate dall’uomo

22

23 Le banane che mangiamo tutti i giorni sono triploidi (3N) in quanto derivano dall’incrocio tra una banana 2N (che produce gameti 1N) e una 4N (che produce gameti 2N). Le banane 3N non riescono a produrre gameti bilanciati e risultano sterili e prive di semi… 4n

24 …vengono riprodotte dai coltivatori per talea, quindi sono tutte cloni! La bassa variabilità genetica determina una elevata vulnerabilità ai patogeni. In passato era diffusa la varietà Gros Michel, che venne spazzata via alla metà degli anni ‘50 dalla malattia di Panama (un’infezione fungina) La varietà diffusa oggi è la Cavendish (il 40% della produzione mondiale) che resiste meglio alla malattia di Panama, ma…

25 La poliploidia è rara negli animali, nei mammiferi è sempre incompatibile con la vita

26 Aneuploidia Aneuploidia: presenza di cromosomi in più o in meno rispetto al corredo diploide (2n+1, 2n-1…)

27 Effetto aneuploidie Diminuisce o aumenta la quantità di mRNA e quindi di proteine sintetizzate (vale per tutti i geni localizzati sul cromosoma interessato ) Sbilanciamento del dosaggio genico 2n + 12n - 12n omologhi

28 Mutazioni cromosomiche - anomalie di struttura conseguenza di rotture cromosomiche

29 Mutazione Può essere minima, riguardare cioè una singola o poche coppie di basi nel DNA  MUTAZIONE PUNTIFORME

30 Mutazioni  conseguenze (1) Un’alta % del nostro genoma contiene regioni non codificanti (regioni intergeniche, introni...) Le mutazioni che riguardano queste regioni non hanno di solito alcuna particolare conseguenza sul fenotipo, sono quindi selettivamente neutre

31 Negli eucarioti i singoli geni sono separati da lunghissime sequenze intergeniche Gene 1Gene 2Gene 3 mutazione

32 Queste mutazioni sono selettivamente neutre, determinano la variabilità genetica individuale  polimorfismi del DNA  (SNP, STR…) Identificazione individuale (medicina forense, paternità) I polimorfismi rappresentano delle varianti fenotipicamente invisibili che hanno l’utilità per noi di marcare molecolarmente la variabilità fra individuo e individuo.

33 Polimorfismi del DNA esempio: SNP Single Nucleotide Polymorphism Variazioni che riguardano il singolo nucleotide (2 alleli) Non hanno effetto sul fenotipo

34 Polimorfismi del DNA esempio: Microsatelliti (o Short Tandem Repeats) sequenze ripetute di DNA non codificante costituiti da unità di ripetizione molto corte (1-5 bp). Per un determinato microsatellite possono esistere numerosi alleli diversi, che differiscono tra loro per il numero di ripetizioni Trinucleotide repeat CTT Gli alleli differiscono per il numero delle ripetizioni CTT Alleli A B C

35 Poiché il numero di varianti alleliche (numero di ripetizioni) al singolo locus (microsatellite) presenti nella popolazione è elevato, è probabile che individui diversi abbiano genotipi diversi (allele1/allele2)7/8 5/9 6/8 8/9 4/8 8/8

36 Applicazioni in medicina legale L’analisi contemporanea di tanti polimorfismi permette di identificare un singolo individuo in modo pressoché univoco Genotipo individuo sospetto 1 al locus A: A2/A4, al locus B: B3/B7 Genotipo individuo sospetto 2 al locus A: A2/A5, al locus B: B4/B4 Genotipo tracce biologiche sul luogo del delitto: A2/A5B4/B4 polimorfismo Apolimorfismo B

37 Mutazioni intrageniche mutazione Una mutazione che cade in sequenze regolatrici potrebbe alterare il legame coi fattori di trascrizione, influendo sul livello di trascrizione del gene (quantità di mRNA) Gene promotore

38 mutazione Esone introne splicing Mutazioni che avvengono nelle sequenze introniche di solito non hanno effetto sul fenotipo, a meno che non cadano in particolari sequenze localizzate ai confini tra esone e introne mutazioni di splicing Mutazioni intrageniche

39 La mutazione colpisce una sequenza consenso dello splicing (GT/AG): l’eliminazione degli introni non può avvenire correttamente e la sequenza della proteina risulterà alterata mutazione

40 mutazione Esone introne splicing Mutazioni intrageniche

41 Le mutazioni che riguardano porzioni codificanti di geni (ESONI) di solito hanno delle conseguenze fenotipiche perché possono comportare cambiamenti nella sequenza aminoacidica codificata. Es: SOSTITUZIONI DI SINGOLE BASI MUTAZIONE MISSENSO GAA  GAT (glu-asp) MUTAZIONE NONSENSO GAG  TAG (glu-stop) N.B. spesso però una mutazione riguardante la terza base di un codone non ne cambia il significato (ridondanza codice genetico): MUTAZIONE SINONIMA (NEUTRA): GAA  GAG (glu-glu) Mutazioni  conseguenze (2)

42 missenso GAA  GAT (glu-asp) nonsenso GAG  TAG (glu-stop) sinonima GAA  GAG

43 Mutazioni in sequenza codificante e conseguenze sulla traduzione: mutazione missenso

44 Effetto di una mutazione missenso La mutazione potrà inserire un aminoacido con le stesse caratteristiche chimiche (ingombro sterico, carica elettrica) di quello originario. In questo caso gli effetti sulla proteina saranno minimi. La sostituzione con un aminoacido con caratteristiche chimiche diverse produrrà invece un cambiamento nella struttura della proteina e di conseguenza della sua funzione

45 Esempio di mutazione missenso Anemia falciforme: mutazione missenso nel gene  globina. L’acido glutammico in posizione 6 (carico negativamente) viene sostituito da valina (idrofobico)

46 Esempio di mutazione missenso La valina in posizione 6 interagisce con una valina di un’ altra molecola di emoglobina, formando aggregati molecolari che precipitano nel globulo rosso

47 Mutazioni in sequenza codificante e conseguenze sulla traduzione: mutazione nonsenso Una mutazione nonsenso porterà alla sintesi di una proteina tronca

48 Mutazioni in sequenze codificanti che comportano INSERZIONE/DELEZIONE di basi (in n° ≠ 3) causano slittamento della cornice di lettura e hanno sempre conseguenze fenotipiche (di solito svantaggiose): proteina diversa e terminazione prematura. Sono dette MUTAZIONI FRAMESHIFT Mutazioni  conseguenze (3)

49 Mutazioni “frameshift” Viene alterata la lettura di tutti i codoni a valle dell’inserzione /delezione Delezione o inserzione di di 3nt (o multipli di 3) non provoca frameshift

50 Gli alleli A e B codificano per due glicosiltransferasi con diversa specificità L’allele 0 codifica per una forma inattiva di glicosiltransferasi Antigeni di superficie: il gruppo sanguigno AB0

51 Esempio mutazione frameshift Delezione di singolo nucleotide nell’ allele 0 del locus AB0 provoca cambiamento del modulo di lettura dal codone 86 e terminazione prematura 30 aa dopo. La glicosiltransferasi codificata dall’allele 0 è inattiva.

52 Esempio di delezione di 3 nucleotidi Fibrosi Cistica: delezione di un codone nel gene CFTR (canale del Cl) che porta alla sintesi di un polipeptide mancante di un aminoacido

53 SPONTANEA insorge in assenza di agenti mutageni esterni ed è prodotta da errori nei processi di ricombinazione, replicazione e/o riparazione del DNA INDOTTA da agenti mutageni chimici o fisici MUTAZIONI  CAUSE

54 Mutazione da errore di ricombinazione: crossing over ineguale

55 Il processo di replicazione del DNA rappresenta la principale fonte di mutazioni. Tutti gli organismi possiedono due meccanismi fondamentali di salvaguardia della fedeltà dell’informazione molecolare:   Correzione di bozze (corregge gli errori di appaiamento commessi dalla DNA polimerasi mentre la replicazione è in corso)   Riparazione degli appaiamenti errati dopo replicazione del DNA C G T GAACTG G C A T G C A T C T T... Mutazione da errore di replicazione

56 Il tasso naturale di mutazione del DNA viene incrementato dall’interazione ambientale con agenti chimici e fisici  MUTAGENI Mutazioni indotte da agenti mutageni

57 Mutageni chimici Esistono varie sostanze chimiche che interagiscono con il DNA modificando e/o danneggiando le basi azotate e causano appaiamenti errati

58 Mutageni chimici I mutageni chimici possono causare sostituzioni di nucleotidi esempio: aflatossina B1 Micotossina presente in alcune muffe. In condizioni ambientali favorevoli le spore degli Aspergillus germinano e successivamente colonizzano svariate tipologie di alimenti, quali mais, arachidi ed altri semi oleosi.

59 Mutageni chimici I mutageni chimici possono causare inserzioni o delezioni di nucleotide Esempio: benzopirene nel fumo di sigaretta, nello scarico dei motori Diesel, nella carbonizzazione dei cibi…

60 Fumo, cancro e riparazione del DNA La capacità di riparare i danni al DNA arrecati dal fumo (ossidazione delle guanine) dipende dall’ enzima OGG (8-oxoguanine DNA N-glycosylase). Esiste una variabilità individuale nella produzione dell’enzima. La variante allelica 326 Ser del gene OGG1 ha un’attività enzimatica maggiore della variante 326 Cys. I fumatori non hanno tutti lo stesso rischio di cancro: chi ha bassa attività di OGG ha un rischio decisamente maggiore ( volte) di chi, a parità di n° sigarette fumate, ha naturalmente alti livelli di OGG Il danno finale è il risultato di due fattori di rischio indipendenti: Il fumo + la ridotta capacità di riparare le guanine modificate

61 Mutageni fisici   Radiazioni UV a bassa energia, poco penetranti   Radiazioni ionizzanti (raggi X, raggi , ,  ), ad alta energia, altamente penetranti

62 Meccanismo di mutagenicità UV   Il danno è localizzato a livello superficiale (pelle)   Inducono la formazione di dimeri di timina (formazione di legame covalente tra due T adiacenti sullo stesso filamento)   Per ogni secondo di esposizione al sole si producono dimeri in ogni cellula della pelle di cui il 2% cadono in coding sequences

63 Meccanismo di mutagenicità radiazioni ionizzanti   A causa della loro alta energia hanno un forte potere penetrante   Trasferiscono energia alle molecole biologiche con cui collidono (DNA, lipidi, proteine) modificandole e danneggiandole

64 Danni al DNA da radiazioni ionizzanti a) Rottura di singolo filamento a b c d d) Rimozione di singole basi c) Modificazione chimica delle basi b) Rottura del doppio filamento

65 Tho-Radia La crema viso era particolarmente popolare, la sua formulazione era la seguente: 0,5 g di Cloruro di Torio e 0.25mg Bromuro di Radio per 100g di prodotto. Elementi radioattivi come il Radio e il Torio erano considerati un beneficio per la salute nei primi anni del ‘900

66 Modalità esame   Scritto   30 domande a risposta multipla (sul sito è pubblicato un compito come esempio)   2 appelli (è possibile iscriversi anche al secondo se non si supera il primo, o se si vuole migliorare il voto)