Prof. Patrizia MOSCATELLI Liceo statale “Volterra” – Ciampino(RM) BIOLOGIA Le mutazioni Prof. Patrizia MOSCATELLI pat58907@hotmail.it Liceo statale “Volterra” – Ciampino(RM)

Che cos’è una mutazione? La mutazione è un cambiamento ereditario, raro, casuale ed improvviso che provoca un’alterazione qualitativa e/o quantitativa dell’informazione genetica

Come originano le mutazioni? Proposte due teorie: Teoria adattativa o del post-adattamento Teoria genetica o del pre-adattamento

Lamarck Gli antenati delle giraffe era-no erbivori dal collo normale costretti a brucare le foglie di acacia nei periodi di siccità. Lo sforzo continuo per rag-giungere le foglie più alte a-vrebbe causato il graduale al-lungamento del collo (carat-tere acquisito). (1744-1829) Con la riproduzione questo carattere sarebbe stato tra-smesso alla prole.

La teoria è basata fondamentalmente su due leggi: Secondo la teoria adattativa le specie si evolvono tramite l’interazione con l’ambiente La teoria è basata fondamentalmente su due leggi: Legge dell'uso e del non uso: gli organi che sono intensamente usati si sviluppano, mentre quelli non utilizzati si atrofizzano. Secondo Lamarck gli organismi possono modificare i propri caratteri durante la vita rispondendo agli stimoli ambientali; i cambiamenti sviluppati durante la vita dell'individuo sono detti caratteri acquisiti Legge dell'ereditarietà dei caratteri acquisiti: i caratteri acquisiti dall'individuo possono essere trasmessi alla progenie. Per Lamarck, specie nuove, sempre più complesse, si originano da specie più semplici per accumulo e modificazione di caratteri acquisiti. Il punto debole della teoria risiedeva nella convinzione che le caratteristiche acquisite in tal modo fossero trasmissibili alla progenie.

Darwin Per Darwin, gli antenati delle giraffe attuali dovevano avere colli di varia lunghezza, quan-do l'erba della savana comin-ciò a scarseggiare, il collo lun-go, che consentiva di raggiun-gere le foglie sui rami degli al-beri di acacia, risultò essere un carattere favorevole. Gli individui col collo lungo, più adatti all'ambiente, risul-tarono avvantaggiati nella competizione e furono quindi selezionati a spese di quelli con il collo corto. (1809-1882)

La sua teoria è basata su quattro punti particolari: Secondo la teoria genetica le forme viventi si sono originate da un antenato comune, attraverso succes- sive modificazioni. I cambiamenti sono casuali e non dipendenti dall’ambiente che opera solo la selezione del più adatto. La sua teoria è basata su quattro punti particolari: 1) Ogni popolazione crea prole in eccesso. La sovrapproduzione è responsabile della lotta per la sopravvivenza per la quale sopravvive solo una parte della discendenza 2) Ogni popolazione presenta una notevole variabilità dei caratteri. Quelle più favorevoli permettono un migliore adattamento all’ambiente. 3) L’adattamento all’ambiente si traduce in successo riproduttivo differenziato. E’ questo che determina la selezione naturale, meccanismo alla base dell’evoluzione. 4) I cambiamenti sono ereditabili Le variazioni che hanno determinato un migliore adattamento vengono quindi trasmesse alla prole.

Riassumendo Lamarck Darwin L’AMBIENTE LE VARIAZIONI ha un ruolo diretto nell'evoluzione provocando cambiamenti che determinano lo sviluppo dei caratteri acquisiti. ha un ruolo molto più indiretto: non provoca cambiamenti, ma seleziona i più adatti cioè quelli che sopravvivono meglio e si riproducono di più. LE VARIAZIONI si determinano in risposta ad adattamenti ambientali sono indirizzate esclusivamente verso adattamenti favorevoli. si verificano casualmente esistono caratteri favorevoli, neutrali e sfavorevoli; l'ambiente seleziona e fa sopravvivere più a lungo gli individui con i caratteri più favorevoli.

SALVATORE LURIA e MAX DELBRUCK con l’esperimento detto “test di fluttuazione” dimostrarono la veridicità di una delle due teorie. Utilizzarono il fago T1 che, infettando ceppi batterici di Escherichia coli, ne provoca la lisi. Solo alcuni batteri riuscivano a sopravvivere perché mutati e quindi resistenti all’infezione virale. IL FENOTIPO RESISTENZA ALL’INFEZIONE è indotto dalla presenza del virus? TEORIA ADATTATIVA O DEL POST-ADATTAMENTO Insorge spontaneamente indipendentemente dal virus? TEORIA GENETICA O DEL PRE-ADATTAMENTO

Test di fluttuazione Luria e Delbruck (1943) Coltura di partenza di Escherichia coli Viene divisa in due parti uguali ognuna contenente 1000 batteri Il contenuto viene ripartito in 50 colture singole Il contenuto viene fatto crescere in coltura indivisa Si lasciano crescere nelle stesse condizioni e per uno stesso numero di generazioni finché la densità è pari a 108 cellule/ml. Si inoculano stesse quantità su terreno di coltura solido addizionato con una stessa concentrazione di fago T1 In ogni piastra sono state trovate da 0 a 100 colonie di batteri resistenti In ogni piastra sono state trovate da 3 a 7 colonie di batteri resistenti

MUTAZIONE DIRETTA POST-ADATTATIVA(Lamarck) Se le mutazioni insorgono in seguito all’esposizione al virus, in ogni piastra dovrebbe comparire un numero di mutanti che non si discosta dal valore medio calcolato MUTAZIONE SPONTANEA PRE-ADATTATIVA(Darwin) Se le mutazioni insorgono casualmente, indipendentemente dall’aggiunta del virus, in ogni piastra dovrebbe comparire un numero variabile di mutanti I RISULTATI DEL TEST DI FLUTTUAZIONE SONO A FAVORE DELLA TEORIA DI DARWIN

Classificazione delle mutazioni SOMATICHE A seconda della cellula interessata GERMINALI GENICHE CROMOSOMICHE A seconda dell’entità GENOMICHE SPONTANEE A seconda della loro origine INDOTTE

Mutazioni somatiche Mutazioni germinali Mentre per gli organismi unicellulari, sia procarioti che eucarioti la distinzione fra mutazioni somatiche e germinali è priva di senso, tale distinzione è valida per gli organismi pluricellulari. Infatti, quando insorge una mutazione in una cellula, tutta la progenie di questa cellula possiederà questa mutazione; in altre parole questa progenie costituisce un clone mutante – si usa il termine clone per indicare un insieme di cellule o organismi geneticamente identici fra loro. Mutazioni somatiche Mutazioni germinali sono quelle che insorgono in cellule del soma cioè non destinate a dare vita a cellule riproduttrici, ma a differenziarsi negli organi non germinali dell’organismo; tali cellule costituiscono la linea somatica. sono quelle che insorgono in cellule destinate a dare vita a spore o gameti; tali cellule costituiscono la linea germinale. non sono trasmesse alla progenie dell’organismo in cui la mutazione è insorta ed esaurisce i suoi effetti in quell’organismo stesso. sono ereditabili cioè possono essere trasmesse alla progenie dell’organismo in cui la mutazione è insorta.

mutazione per sequenze ripetute MUTAZIONI GENICHE Sono cambiamenti della sequenza nucleotidica del DNA che coinvolgono una o poche basi azotate. Se la mutazione interessa il cambiamento di una singola base azotata si parla di mutazione puntiforme, se coinvolge gruppi di nucleotidi che si ripetono più volte si parla di mutazioni per sequenze ripetute mutazione puntiforme mutazione per sequenze ripetute si può verificare per: SOSTITUZIONE DELEZIONE INSERZIONE la mutazione sarà la mutazione sarà SILENTE NON SENSO FRAME SHIFT DI SENSO

Una base azotata viene sostituita con un’altra. SOSTITUZIONE Una base azotata viene sostituita con un’altra. Molti mutanti studiati da Morgan erano mutanti puntiformi. Le mutazioni da sostituzione possono : non avere effetti fenotipi determinanti causare danni minimi causare gravi patologie MUTAZIONI SILENTI La variazione della base azotata, per la degenerazione del codice genetico, produce una tripletta che codifica lo stesso amminoacido. Non si hanno pertanto espressioni fenotipiche della mutazione

MUTAZIONI DI SENSO La variazione della base azotata produce una tripletta che codifica un amminoacido diverso. La mutazione può non compromettere la funzionalità della proteina o alterarla solo parzialmente come provocare effetti patologici gravi come nel caso dell’anemia falciforme.

MUTAZIONI NON SENSO Converte un codone qualsiasi in un codone di stop e quindi si produce l’interruzione prematura della catena polipeptidica. La funzionalità della proteina dipenderà dalla posizione del codone di stop.

Riguardano l’eliminazione (delezione) DELEZIONE e INSERZIONE Riguardano l’eliminazione (delezione) o l’introduzione (inserzione) di una o poche basi azotate (diverse comunque da tre o suoi multipli) nella catena nucleotidica. Tali mutazioni vanno ad alterare la sequenza di lettura del codice provocandone uno slittamento (frame shift) con conseguente inserimento di amminoacidi diversi.

Mutazione per sequenze ripetute Interessano gruppi di nucleotidi che formano una sequenza la quale si ripete più volte di seguito. La mutazione, che si origina nel corso della replicazione del DNA, provoca una variazione nel numero di queste sequenze ripetute; il nuovo filamento di DNA potrà presentarne in eccesso o in difetto. Il fenomeno che causa la mutazione è detto slittamento della replicazione (replication slippage). Malattie genetiche associate a questo tipo di mutazione sono la Corea di Huntington , la sindrome dell'X fragile e la distrofia miotonica. PATOLOGIA   tripletta ripetuta copie normali copie nella malattia Corea di Huntington CAG 6-37 35-121 Sindrome dell'X fragile CGG 5-52 230-72000 Distrofia miotonica CTG 5-37 50-72000

Sindrome dell’X fragile Corea di Huntington E’ una mutazione autosomica dominante localizzata sul braccio corto del cromosoma 4. Si manifesta tra i 35 e 50 anni. Provoca gravi deficit cognitivi e demenza. La morte sopraggiunge dopo circa 15-20 anni dall’insorgenza della malattia per complicazioni cardiache e polmonari. Nessuna terapia disponibile Sindrome dell’X fragile E’ una mutazione sessuale recessiva del cromosoma X. Si manifesta maggiormente nei maschi. E’ una tra le più frequenti cause di ritardo mentale ereditario. Il nome deriva dal fatto che la mutazione provoca una modifi-cazione della struttura del cromosoma X che, visto al microscopio, presenta una “strozzatura” nell’estremità distale del braccio lungo. Corea di Huntington SINTOMI MOTORI Movimenti goffi Lievi movimenti incontrollabili Lievi difficoltà movimenti oculari Perdita coordinazione movimenti volontari perdita di muscolatura e peso Movimenti involontari di tutta la muscolatura, SINTOMI COGNITIVI Rallentamento capacità intellettive Deficit cognitivi Demenza Sindromi psichiatriche (maniaco-depressive, alterazione della personalità) La Sindrome dell’X fragile è una tra le più frequenti cause di ritardo mentale ereditario. Si tratta di una mutazione sessuale recessiva legata al cromosoma X. Il nome X fragile deriva dal fatto che la mutazione del DNA provoca una modificazione della struttura del cromosoma X che, visto al microscopio, presenta una “strozzatura” nell’estremità distale del braccio lungo. Sia i maschi che le femmine possono esserne affetti, anche se generalmente sono i maschi ad essere più severamente compromessi avendo una sola X. Nei maschi colpiti dalla sindrome X fragile le principali caratteristiche, presenti all’incirca nell’80% dei casi, sono viso stretto e allungato, con fronte e mandibola prominenti, orecchie più basse della media, con padiglioni auricolari grandi e prominenti e, sopra gli otto anni, macroorchidismo, ovvero ingrossamento dei testicoli. Altre caratteristiche fisiche comuni, anche se meno frequenti, sono basso tono muscolare, piede piatto, prolasso della valvola mitrale. Comunemente si osserva un elevato peso alla nascita, una crescita eccessiva nei primi anni di vita, microcefalia, ipotonia e precoce arresto della crescita. Nelle femmine queste caratteristiche sono tendenzialmente meno evidenti, anche se alcune di esse manifestano comunque i tratti facciali tipici della sindrome. L’analisi neurologica ha evidenziato anomalie diffuse del sistema nervoso centrale, particolarmente evidenti a livello dell’emisfero non dominante, delle aree parietali e della fossa posteriore. I limitati dati neuropatologici disponibili indicano un’immaturità dendritica associata alla diminuzione delle aree di contatto sinaptico. In circa il 20% dei maschi affetti sono presenti crisi epilettiche, che si risolvono con l’età nella maggior parte dei casi. . Caratteristiche del comportamento. Dal punto di vista del comportamento i soggetti colpiti da X fragile sono spesso estremamente distraibili ed impulsivi. Possono avere una capacità di attenzione molto limitata e molti di loro tendono ad essere iperattivi. Quest’ultimo disturbo tende a diminuire con l’età, mentre le difficoltà di attenzione restano fonte di problemi sia nell’adolescenza che nell’età adulta. Inoltre, i maschi con sindrome X fragile possono mostrare inusuali atteggiamenti, quali, ad esempio, morsicarsi le mani e le braccia o sbattere le mani quando sono in condizioni di eccitamento o sovrastimolazione. Spesso gli individui di sesso maschile con X fragile, manifestano comportamenti di tipo autistico, quali ad esempio uno scarso contatto oculare con l’interlocutore, avversione nell’essere toccati, atteggiamenti stereotipati e ripetitivi, linguaggio ripetitivo, rigidità negli interessi, difficoltà ad accettare i cambiamenti della loro routine abituale,   fatto che provoca in loro attacchi d’ira o problemi di comportamento. Tuttavia, solo una minoranza mostra autismo. La maggior parte dei maschi colpiti è affettuosa ed ha interesse a stringere relazioni sociali anche se mostra notevoli difficoltà nelle interazioni e tende ad essere schiva ed ansiosa. Inoltre, in contrasto con l’ecolalia relativamente priva di significato che è associata all’autismo, le forme autoripetitive osservate negli individui con X fragile sono considerate importanti fattori comunicativi, che permettono di mantenere l’interazione sociale, pur in presenza di difficoltà di elaborazione dell’informazione. Caratteristiche sensoriali. Spesso i soggetti con X fragile mostrano un’intolleranza tattile. Si tratta della tendenza a reagire con emozioni e comportamenti negativi al fatto di essere toccati. Alcuni inoltre sono anche esageratamente sensibili alle luci ed ai rumori. Questo problema prende il nome di intolleranza sensoriale. Gli individui con X fragile possono mostrare anche segni di insicurezza gravitazionale e preferire di avere sempre entrambi i piedi contemporaneamente a terra. Possono aver paura a trovarsi in alto, ad arrampicarsi, a salire sulle scale. Inoltre essi possono avere difficoltà a discriminare le informazioni sensoriali essenziali da quelle non essenziali. . Caratteristiche motorie fini.I soggetti X fragile hanno scarse caratteristiche di motricità fine o di controllo delle proprie mani e dei muscoli delle dita. Scrivere è estremamente difficile per loro, probabilmente a causa dello scarso tono muscolare, dell’iperestensibilità delle giunture delle dita, e della loro limitata abilità nel pianificare e portare a termine azioni motorie fini complesse. Per gli stessi motivi, anche abbottonarsi i vestiti, tagliare e mangiare in maniera appropriata possono costituire un problema. Tali difficoltà, insieme ai problemi dell’elaborazione delle informazioni sensoriali, fanno sì che questi soggetti spesso non siano in grado di vivere in modo autonomo. .  . Caratteristiche del linguaggio. Le difficoltà del linguaggio variano dalla completa assenza del linguaggio a disturbi lievi della comunicazione verbale. Il quadro caratteristico è quello di un eloquio disordinato, caratterizzato da un ritmo veloce e fluttuante nel parlare, con occasionali distorsioni, ripetizioni confusioni ed aritmie; tutto questo è associato a difficoltà nel mantenere l’attenzione su di un argomento, digressioni e revisioni. La conversazione è solitamente poco fluente, le frasi sono lasciate incomplete e sono presenti ecolalia e perseverazione verbale. Il discorso è spesso di tipo scherzoso con tono altalenante (tipo litania). Sono stati riscontrati anche problemi di articolazione, probabilmente dovuti alla particolare combinazione della struttura ogivale del palato, con la rilassatezza dell’articolazione temporo-mandibolare e le difficoltà di elaborazione centrale. Caratteristiche cognitive. Le difficoltà di apprendimento sono comuni e più evidenti nei maschi, sebbene anche le loro capacità cognitive possano essere molto variabili. Approssimativamente, l’80% dei maschi con questa sindrome manifesta difficoltà di apprendimento che sono di solito di grado lieve o moderato, mentre in circa il 30% dei casi tali difficoltà sono gravi. Il livello cognitivo sembra essere in relazione al numero di sequenze ripetute di CGG ed al grado di mutilazione (Abrams e coll., 1994). Si osserva una caratteristica irregolarità nel profilo delle varie capacità: le abilità verbali sono superiori a quelle non verbali, il vocabolario è relativamente ricco, è presente una buona capacità di imitazione verbale. Questi soggetti tendono ad avere risultati migliori in compiti che enfatizzano le abilità di apprendimento simultaneo piuttosto che in quelle di apprendimento sequenziale. Essi sono inoltre in grado di eseguire alcuni compiti visuo-percettivi, ed hanno una buona memoria a lungo termine, soprattutto visiva. Gli individui con questa sindrome sono invece molto carenti in attività che richiedono ragionamento astratto, elaborazione sequenziale, abilità visuo-spaziali, memoria uditiva e visiva a breve termine, pragmatismo, concentrazione e concetti numerici (Dykens e coll., 1987). Le difficoltà maggiori vengono incontrate nell’elaborazione dell’informazione nuova e sequenziale, mentre sembrano meno svantaggiati nell’apprendimento scolastico di informazioni verbali che si riferiscono a fatti concreti. Lo sviluppo intellettivo sembra ridursi con l’età e il calo maggiore avviene nelle fasi iniziali dell’età puberale. Questo può almeno in parte essere attribuito al fatto che, per adolescenti ed adulti, i test cognitivi presuppongono un aumento nelle difficoltà nei problemi da risolvere e nei compiti di ragionamento e di elaborazione sequenziale dell’informazione, ambiti nei quali gli individui con sindrome da X fragile sono particolarmente deboli. Le femmine con sindrome X fragile presentano meno problemi, anche se qualitativamente simili, rispetto ai maschi. Per questo motivo, parecchie di esse non sono state mai diagnosticate. Alcune di esse manifestano difficoltà di apprendimento, mentre altre si collocano al limite della norma per quanto riguarda le abilità intellettive. I problemi più spesso presenti sono deficit nella preformance, disturbi di apprendimento, specifiche disabilità di apprendimento in matematica, deficit nelle abilità visuo-spaziali, problemi nella memoria uditiva a breve termine, difficoltà nella pianificazione, resistenza allo sforzo, problemi nell’elaborazione di strategie di risoluzione dei problemi, nell’autocontrollo, nelle autoverifiche. Sono evidenti anche difficoltà di formazione di concetti astratti e di elaborazione dell’informazione, così come pensieri perseveranti, difficoltà di attenzione (con o senza iperattività), impulsività, digressioni, difficoltà nel mantenere l’attenzione su un dato argomento e ritardo motorio. Nelle femmine con sindrome da X fragile si osservano inoltre, estrema timidezza, ansia, esitamento sociale, fuga dallo sguardo e scarsi contatti visivi. Queste caratteristiche possono essere evidenti già in fase prescolare e persistere lungo tutta l’adolescenza fino all’età adulta. Distrofia miotonica E’ una mutazione autosomica dominante localizzata sul cromosoma 19 o sul 3. Oltre ai muscoli scheletrici coinvolti: il cuore, il corpo vitreo dell’occhio (catarat-ta), le ghiandole sessuali (atrofia delle gonadi, sterilità), il sistema endocrino (ipotiroidismo, diabete), il muscolo liscio (disturbi gastrici, stitichezza) e il sistema nervoso centrale (ritardo intellettivo, alterazioni comportamentali).

MUTAZIONI CROMOSOMICHE Riguardano cambiamenti di grossi tratti di DNA , che alterano la struttura dei singoli cromosomi . Originano per rotture di DNA o cromosomi seguite da un’errata o assen-te riparazione che non ripristina la forma originale o per scambi anomali di DNA du-rante il crossing over. Sono le cause principali di aborti , neoplasie, nati morti e di malattie genetiche nell’uomo. si verificano per: DELEZIONE DUPLICAZIONE INVERSIONE TRASLOCAZIONE Riguarda la perdita di una parte del cromo-soma. Patologie asso-ciate sono: sindrome “cri du chat”, distro-fia muscolare di Duchenne e Becker Parte del cromo-soma viene dupli-cata con geni ripe-tuti più volte. Pro-voca danni legati alla regolazione del DNA e gravi ritardi mentali Una parte del cromo-soma viene riunita in posizione invertita dopo una rottura. A parte l’inversione dei geni, non determina danni gravi Una parte del cromo-soma si stacca inse-rendosi in un diverso cromosoma. Possono causare sterilità o pa-tologie come le leucemie.

SINDROME del “CRI DU CHAT” PATOLOGIE per DELEZIONE SINDROME del “CRI DU CHAT” E’ causata dalla delezione del braccio corto del cromosoma 5. Fenotipo: pianto simile al miagolio di un gatto (causato da un minore sviluppo delle cartilagini della laringe che scompare con la crescita), diverse anomalie del viso, severo ritardo mentale. DISTROFIA MUSCOLARE Esistono sette tipi diversi di distrofia. La più grave è quella di Duchenne (Dmd), segue quella di Becker (Dmb) dovute, nel 65% dei casi, a mutazioni per delezione del gene distrofina situato sul braccio corto del cromosoma X. Rientra nelle mutazioni recessive legate al sesso, pertanto più frequente nei maschi. La distrofina è una proteina che interviene nei meccanismi di contrazione muscolare. Nella Dmd i primi sintomi si manifestano tra i 2 e i 6 anni, con deambulazione ritardata, andatura sulle punte, difficoltà a rialzarsi da terra, a saltare, a fare le scale. Intorno ai 12 anni si ha perdita della deambulazione e della funzione degli arti superiori. Anche i muscoli respiratori e il cuore sono coinvolti e sono proprio le complicanze cardiache e respiratorie a ridurre l’aspettativa di vita di questi pazienti.

LEUCEMIA MIELOIDE CRONICA PATOLOGIE per TRASLOCAZIONE LINFOMA di BURKITT E’ una neoplasia maligna rara dei linfociti B che col-pisce bambini da i 5 ai 10 anni. Nel 75% dei casi si os-serva la traslocazione tra i cromosomi 8 e 14. Ne esi-stono due forme: la prima è endemica (Africa equato-riale). Sembra insorgere in seguito ad infezione da malaria, HIV e da virus di Epstein Barr (EBV) agente della mononucleosi, e si manifesta sotto forma di tu- more alla guancia; la seconda è sporadica, non legata all'EBV, e si sviluppa nell'ad-dome. È un tumore maligno proliferativo che invade il midollo osseo, le meningi e le sierose. Sembra indotto in seguito ad abbassamento delle difese immunitarie. LEUCEMIA MIELOIDE CRONICA E’ una neoplasia rara che provoca un aumento anomalo dei globuli bianchi. Il cromosoma 22 si presenta alterato, per questo è detto cromosoma Philadelphia, a seguito di una traslocazione col cromosoma 9 che provoca la fusione di due geni.

Riguardano cambiamenti nel numero dei cromosomi. MUTAZIONI GENOMICHE Riguardano cambiamenti nel numero dei cromosomi. si distinguono due casi : ANEUPLOIDIA POLIPLOIDIA Perdita o aggiunta di uno o pochi cromosomi Tutti i cromosomi del genoma sono ripetuti una o più volte Esempi: Esempi: assenza di una coppia di cromosomi assenza di un solo cromosoma un cromosoma in più