GENOTOSSICOLOGIA Tratta degli effetti mutageni degli agenti chimici e delle radiazioni e della conseguenza per la salute umana dell’esposizione a mutageni. Include i danni al DNA e le alterazioni genetiche che variano da cambiamenti in una o poche coppie di basi (mutazioni del gene) a grandi cambiamenti nella struttura (aberrazioni cromosomiche) o nel numero (aneuploidie e poliploidie) dei cromosomi.

GENOTOSSICOLOGIA Ogni agente che causa mutazioni è un mutageno. Clastogeni sono quelli che causano aberrazioni cromosomiche. Aneugeni sono quelli che causano aneuploidia o poliploidia.

genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA 1. L’incremento della quantità di mutazioni nelle cellule germinali umane (uova, sperma e loro precursori) può causare una aumentata incidenza di malattie genetiche nelle generazioni future; 2. Mutazioni nelle cellule somatiche possono contribuire a varie malattie, tra cui il cancro, nei soggetti esposti.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Mutazioni geniche La mutazione genica è un cambiamento in un gene nella sequenza del DNA. Sono anche chiamate mutazioni puntiformi perché sono ristrette ad un particolare sito. Sono tipicamente rilevabili sulla base dei cambiamenti che causano nel fenotipo.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Mutazioni geniche Possono avvenire per: 1. Sostituzione di coppie di basi 2. Per scivolamento di lettura

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Mutazioni geniche Nella sostituzione di coppie di basi, una coppia (e.g. G:C) viene sostituita da un’altra (e.g. A:T). Si chiama transizione se l’orientamento delle coppie di basi rimane lo stesso (e.g. una purina è sostituita da un’altra purina);

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Mutazioni geniche si chiama transversione quando una purina è sostituita da una pirimidina e viceversa. purine guanina e adenina pirimidine timina e citosina

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Mutazioni geniche Le conseguenze sono dipendenti dal risultano in una sintesi proteica errata o senza senso.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Mutazioni geniche In una mutazione errata vi è un cambiamento nella codifica nella quale un aminoacido ne sostituisce un altro. La mutazione può inattivare il gene, avere soltanto lievi effetti o essere virtualmente senza effetti.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Mutazioni geniche In una mutazione senza senso, il prodotto è incompleto e non funzionale a causa della prematura interruzione della sintesi proteica. Una mutazione può anche prevenire la formazione di un prodotto genico funzionale prevenendo la trascrizione o il normale congiungimento con l’RNA.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Mutazioni geniche Mutazioni che alterano la lettura del codice genetico durante la traslocazione dell’RNA nella proteina sono chiamate a scivolamento di lettura. Coinvolge l’inserimento o la perdita di due coppie di basi in un gene. Il prodotto genico è grossolanamente alterato poiché ogni tripletta è cambiata nell’mRNA dopo il punto della mutazione.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Mutazioni geniche Il prodotto genico può anche essere incompleto poiché la nuova sequenza di lettura include un codone senza senso (UAA, UAG o UGA). Porta ad un prodotto genico non funzionale.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Mutazioni geniche E’ stato individuato un terzo tipo di mutazione chiamato “ripetizione della tripletta”. E’ amplificato un particolare trinucleotide (e.g. CTG/CTG/CTG/CTG). Sono coinvolte in numerose malattie genetiche quali la distrofia miotonica, la malattia di Huntington e la sindrome dell’X fragile.

SINDROME DELL’X FRAGILE

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Aberrazioni cromosomiche Sono dovute a cambiamenti nella struttura dei cromosomi. Comprendono rotture e vari riarrangiamenti. Quelle che coinvolgono un solo cromatide sono dette aberrazioni cromatidiche, quelle che li coinvolgono entrambi sono dette aberrazioni cromosomiche.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Aberrazioni cromosomiche Le radiazioni ionizzanti causano aberrazioni cromosomiche quando le cellule vengono irradiate prima della replicazione del DNA, aberrazioni cromatidiche quando vengono irradiate dopo. Al contrario, la maggior parte dei clastogeni causano aberrazioni cromatidiche poichè colpiscono dopo la replicazione.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Aberrazioni cromosomiche Alcune aberrazioni sono stabili e possono essere trasmesse attraverso ripetute divisioni cellulari e possono persistere nella popolazione cellulare. Delezioni, duplicazioni, inversioni e traslocazioni bilanciate sono riarrangiamenti cromosomici che possono essere trasmessi.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Aberrazioni cromosomiche Oltre a aberrazioni stabili, le rotture cromosomiche danno origine a frammenti acentrici (pezzi rotti senza centromero), cromosomi dicentrici, cromosomi ad anello e altri riarrangiamenti asimmetrici che sono instabili e causano morte cellulare.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Aneuploidia e poliploidia Cellule aneuploidi o poliploidi hanno un numero di cromosomi diverso da quello normale per la specie. L’aneuploidia è un aumento o una perdita di uno o pochi cromosomi, mentre la poliploidia coinvolge set completi di cromosomi.

SPECIE DI DANNI GENETICI genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA SPECIE DI DANNI GENETICI Aneuploidia e poliploidia Il normale numero diploide (2n) di cromosomi è 46; quello di cellule o individui con 45 o 47 cromosomi può essere descritto come aneuploide, con 69 come poliploide, in questo caso come triploide (3n). Aneuploidia con perdita di un cromosoma è detta monosomica, quella con un cromosoma in più è detta trisomica.

GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule germinali 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule germinali 1,3% di neonati soffre di disordini genetici. autosomici dominanti 1% autosomici recessivi 0,25% legati al sesso 0,05%

GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule germinali 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule germinali Circa la metà di queste sono mutazioni per sostituzione di coppie di basi. Delle rimanenti, molte sono delezioni. Tra le sostituzioni di coppie di basi, sono prevalenti transizioni al sito di nucleotidi adiacenti C e G (1/3 del totale).

GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule germinali 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule germinali La nuova mutazione dominante è quindi espressa nella 1a generazione. Dal 3 al 6% dei bambini è affetto da anomalie congenite. Se si aggiungono patologie a comparsa tardiva (cardiopatie, ipertensione, diabete) la proporzione di popolazione affetta supera il 60%.

GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule germinali 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule germinali Le aberrazioni cromosomiche causano morte fetale o gravi anomalie. L’aneuploidia causa anch’essa morte fetale o anomalie quali la sindrome di Down. Circa lo 0,4% dei bambini ha una sindrome associata a anomalie cromosomiche. La maggioranza di questi (85%) presenta trisomie.

GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche L’instabilità cromosomica e la carenza nella riparazione del DNA sono associati ad un aumentato rischio di cancro. Gli oncogeni sono geni che stimolano la trasformazione di cellule normali a cellule neoplastiche.

GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche Hanno origine quando geni chiamati proto-oncogeni, che sono coinvolti nella normale crescita e sviluppo cellulare, sono geneticamente alterati. La regolazione della proliferazione cellulare richiede un bilanciamento tra promozione e inibizione della crescita cellulare.

GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche La mutazione di proto-oncogeni può portare alla sovraespressione della loro attività stimolando la crescita, mentre mutazioni che inattivano i geni soppressori dei tumori, che normalmente riducono la proliferazione cellulare, liberano la cellula dalla loro influenza inibitoria.

GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche L’azione degli oncogeni è geneticamente dominante. I proto-oncogeni possono essere convertiti in oncogeni attivi da mutazioni puntiformi o da alterazioni cromosomiche. Tra queste, sono prevalenti le traslocazioni, oltre alle mutazioni per sostituzione di coppie di basi.

GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche Il linfoma di Burkitt, ad esempio, coinvolge una traslocazione tra il braccio lungo del cromosoma 8, che è la sede dell’oncogene c-MYC e il cromosoma 14 (90% dei casi), 22 e 2. Diversamente dagli oncogeni, gli alleli che causano il cancro derivanti da geni soppressori dei tumori sono tipicamente recessivi.

GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E SALUTE Mutazioni in cellule somatiche L’inattivazione di geni soppressori dei tumori è stata associata con varie forme di cancro, incluse quelle a carico dell’occhio, del rene, del colon, del cervello, della mammella, del polmone e della vescica. Alcuni tipi di cancro coinvolgono sia l’attivazione di oncogeni, sia l’inattivazione di geni soppressori dei tumori.

MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA Mutazioni che causano alterazioni del DNA La mutagenesi è una alterazione chimica o fisica nella struttura del DNA. In genere, mutazioni puntiformi si correlano bene con la formazione di O6-alchilguanina (misaccoppiamento con la timina), mentre le aberrazioni cromosomiche si correlano meglio con l’alchilazione dei siti azotati.

MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA Riparazione del DNA 1. Diretta, nella quale la reazione che causa danno al DNA è annullata; 2. Taglio, nella quale le basi danneggiate o scorrette sono rimosse o riparate.

MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA Riparazione del DNA Esempi di riparazione diretta sono fotoriparazione dopo esposizione a radiazioni UV, la rimozione di addotti delle basi, l’inserzione di purine nel sito della base persa e la chiusura di un singolo filamento da parte della DNA-ligasi. Esempi della seconda sono il taglio del nucleotide (più comune) o il taglio della base.

MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA Riparazione del DNA La riparazione non protegge completamente dagli effetti mutageni poiché i processi possono essere saturati o possono riparare in maniera non efficiente alcuni tipi di danno.

MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA Induzione di aneuploidia o poliploidia Cellule aneuploidi possono generare da cellule normali per non disgiunzione, cioè l’appropriata separazione di cromosomi omologhi nella meiosi I o di cromatidi fratelli nella meiosi II o mitosi. Il risultato è che un polo del fuso riceve entrambi gli omologhi o i cromatidi e l’altro ne è privo.

MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA Induzione di aneuploidia o poliploidia Assumendo il coinvolgimento di un solo cromosoma (o pochi), i nuclei fratelli avranno un cromosoma in più o in meno. La poliploidia coinvolge un intero set di cromosomi. Il numero di cromosomi può essere doppio se i cromosomi si duplicano normalmente nell’interfase, ma i cromatidi non si separano nella seguente divisione mitotica. Una cellula diploide diventa quindi tetraploide.

MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA Effetti ricombinanti La ricombinazione genetica tra sequenze omologhe di DNA è parte normale della meiosi ed è fondamentale nelle variazioni genetiche delle popolazioni. Può anche avvenire (meno frequentemente) durante la mitosi. Numerosi mutageni e cancerogeni aumentano la frequenza delle ricombinazioni mitotiche. Alcuni agenti sono noti come ricombinanti. I loro effetti causano reciproche e non reciproche ricombinazioni mitotiche.

REAZIONI STRUTTURA-ATTIVITA’ genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA REAZIONI STRUTTURA-ATTIVITA’ Molti mutageni e cancerogeni contengono gruppi sostituenti che possono servire come “allarmi strutturali”. Di seguito sono riportate le strutture che possono essere coinvolte in effetti mutageni e/o cancerogeni:

genotossicologia 27/03/2017 GENOTOSSICOLOGIA esteri alchilici dell’acido fosforico e sulfonico nitro-gruppi alifatici o aromatici azo-gruppi aromatici anelli aromatici N-ossidati gruppi aromatici alchil o dialchilaminici alchilidrazine alchilaldeidi N-metilol-derivati monoaloalcheni mostarde azotate e solforate N-cloroamine propiolattoni propiosultoni aziridine alifatiche e aromatiche sostituti alchilalidici aromatici e alifatici carbamati N-nitrosamine alchilate amine aromatiche N-idrossi e esteri derivati di amine aromatiche epossidi alifatici ossidi aromatici