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
possono essere diverse
AGENTI BIOLOGICI
(farmaci inclusi)
eterogeneità genetica
L’insieme dei cromosomi di una cellula somatica e delle cellule
germinali immature è detto corredo cromosomico
nell’uomo è diploide
la diploidicità è una
condizione necessaria
per poter realizzare
alcuni dei meccanismi
responsabili della
eterogeineità umana
cariotipo ottenuto da linfocita umano
la diploidicità è anche
una forma di difesa
contro mutazioni che
alterano la funzione
della proteina espressa
L’insieme delle caratteristiche morfologiche
di un particolare corredo cromosomico
I geni sono predisposti in ordine prestabilito e rigoroso nei
CROMOSOMI OMOLOGHI
locus
locus
particolare
carattere
particolare
carattere
Omozigote per un certo carattere, l’individuo che porta nei propri cromosomi
omologhi due copie identiche del gene che codifica per quel carattere.
Eterozigote per un certo carattere, l’individuo 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).
L’esistenza 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.
CAUSE DELL’ETEROGENEITÀ GENETICA
MEIOSI
DOMINANZA
RECESSIVITÀ
CODOMINANZA
crossing-over
Nature 409: 822-823 (2001).
POLIMORFISMO GENETICO
MUTAZIONI
EVENTI PRINCIPALI NELLA MEIOSI
materno
2n
paterno
(cellula premeiotica)
REPLICAZIONE DEL DNA
meccanismo di
crossing-over
4n
appaiamento dei cromosomi omologhi
(ogni coppia è unita a livello di centromeri)
ricombinazione genetica
crossing-over
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)
a
b
c
d
e
I DIVISIONE CELLULARE
2n
distribuzione casuale
dei cromosomi omologhi
II DIVISIONE CELLULARE
(senza replicazione)
1n
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
nuove combinazioni di geni
DIFFERENZE NELLA MEIOSI
1
4
3
(si sviluppa a caso da uno dei 4 prodotti meiotici)
Nella specie umana, la meiosi nella femmina
non è completata fini dopo la fecondazione
POLIMORFISMO
Quando in una popolazione esistono 2 o più alleli
polimorfismo genetico
sebbene rari sono presenti nella popolazione
con frequenza anche bassa ma significativa
Quando l’allele più comune in tutta la popolazione rappresenta:
• meno del 98%
polimorfismo in un dato locus
• più del 98%
la presenza dell’allele 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
perché mediante elettroforesi
si possono valutare solo le sostituzioni
che portano a variazione di carica
20%
L’analisi 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
sostituzione conservativa (es. Asp con Glu)
proteina modificata di 1 o 2 aa simili
(non modificano né carica né funzione)
Il polimorfismo è rivelato con l’elettroforesi
Solo se la sostituzione pur alterando la carica della proteina non ne altera l’attività
si possono separare le isoforme proteiche
se ne può valutare la presenza
A
GENE
GENE
A
piccole variazioni
di sequenza aa
normale
attività biologica
MA
valori > o < di proprietà che contribuiscono all’attività 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.
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)
Eterogeneità genetica e sensibilità a molecole esogene
individuo A
omozigote
per l’allele 1
individuo B
omozigote
per l’allele 2
omozigote
per l’allele 1
gene Z
gene W
gene Z
omozigote
per l’allele 1
gene W
sito
responsabile
della
proprietà
minore
Z1
W1
enzima
enzima
insensibile
alla molecola
esogena
(es. farmaco)
W1
enzima
inibito
(effetto collaterale)
Z2
enzima
Z2
enzima
inibito
W1
enzima
W1
enzima
inibito
(effetto voluto) (effetto collaterale)
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 all’allele 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:
0
0
AB
AB
codominanza
degli alleli A e B
CONSIDERAZIONI SULLA ETEROGENEITÀ GENETICA
L’eterogeneità genetica degli individui è
importante per la sopravvivenza di una specie
le permette di rispondere
ai cambiamenti rapidi dell’ambiente che
selezionano positivamente alcuni individui
conoscenza dell’eterogeneità genetica degli individui di una stessa specie
comprensione
AMBIENTE
inalata
naturale
o
sintetica
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 all’azione della stessa molecola,
si può fare l’ipotesi che la molecola sia un farmaco
alcuni individui rispondono positivamente
alcuni non subiscono effetti negativi
alcuni subiscono anche effetti negativi
altri non subiscono alcuna influenza positiva
alcuni non subiscono effetti negativi
alcuni subiscono anche effetti negativi
FARMACO
Per poter agire deve associarsi con un certo grado di specificità
ad un componente cellulare
legami deboli con residui aa
catena di
aminoacidi
+
-
modificare la
fisiologia cellulare
Se due soggetti possiedono alleli diversi
codificanti la stessa proteina enzimatica la cui
attività deve essere attivata per favorire l’effetto
diverso
residuo
che non
Altera le
caratteristiche
funzionali
stessa attività catalitica e di regolazione
associa il farmaco
non associa il farmaco o c’è < affinità
Si spiega così anche l’effetto 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)
QUALCHE TIPO DI POLIMORFISMO
In tutti gli organismi vi sono variazioni naturali nella sequenza del DNA
distribuite in tutto il genoma
Esoni (geni = circa 1000 copie di basi)
Poiché gran parte del genoma umano
non codifica proteine
(DNA in eccesso),
è tollerato che nell’uomo vi sia
un grande numero di variazioni
nella sequenza
nell’uomo ci sono
differenze individuali
di sequenza
ogni 200 nucleotidi
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)
Alleli
RFLP- restriction fragment length 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)
SNP- single nucleotide p…
Tandem repeat p…
POLIMORFISMO DELLA
LUNGHEZZA DEI FRAMMENTI DI RESTRIZIONE (RFLP)
bande dopo la
ibridazione
situazione dei cromosomi
Enzima
A
b1
b2
a1
b1
b2
a2
a3
MW
a1
Enzima
B
a3
la mutazione nel
sito a2 impedisce
il taglio
endonucleasi di restrizione A
endonucleasi di restrizione B
sonda che riconosce
una singola regione
del genoma
L’elettroforesi separa il DNA in base alle dimensioni
DNA migra verso il polo positivo
Le molecole piu’ grandi si muovono piu’ lentamente
ALLELI
Allele 1
CTG
GAC
Allele 2
GAC
GTC
Allele 1
CTG
GAC
mutazione
GAC
Allele 2
GTC
(alleli 1 e 2)
allele 2
allele 1
Nell’uomo i polimorfismi sono spesso associati
conalterazioni di una singola base
COME COMPAIONO I POLIMORFISMI?
Un numero finito di MUTAZIONI avviene spontaneamente nella sequenza del DNA
alcune si
verificano
nelle
sequenze
non
codificanti
cromosomi
gene
DNA
altre avvengono nella
sequenza codificante
proteina
sequenze proteiche
alterate
normalmente
non hanno effetto
sulla funzionalità
alterazione della struttura
diminuzione dell’espressione
perdita dell’espressione
Poiché un’alterazione nella sequenza del DNA
colpisce tutte le copie della proteina codificata,
le mutazioni possono essere particolarmente dannose
Al contrario, ogni alterazione nella sequenza dell’RNA
o di proteine che avviene durante la loro sintesi
è meno grave
perché di queste molecole ne vengono sintetizzate molte copie
TIPI DI MUTAZIONI
GENOTIPO
è l’insieme dei geni di un individuo
denota se un individuo
è portatore di una mutazione
FENOTIPO
funzioni e l’aspetto fisico dell’individuo
definisce le conseguenze
fisiche e funzionali del genotipo
MUTAZIONE quando entrambi gli alleli devono essere mutati
RECESSIVA per poter osservare il fenotipo mutante;
l’individuo deve essere omozigote per l’allele mutante
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
l’espressione della proteina
MUTAZIONE le conseguenze fenotipiche di una mutazione
DOMINANTE si possono osservare anche in un eterozigote
portano a guadagno di funzione
MUTAZIONI PUNTIFORMI E PICCOLE DELEZIONI
Sequenze normali
amminoacidi
N-Phe
Arg
Trp
Ile
Ala
Asn-C
mRNA
5’-UUU
CGA
UGG
AUA
GCC
AAU-3’
DNA
3’-AAA
5’-TTT
GCT
CGA
ACC
TGG
TAT
ATA
CGG
GCC
TTA-5’
AAT-3’
Mutazioni di senso (missense)
DNA
amminoacidi
3’-AAT
5’-TTA
GCT
CGA
ACC
TGG
TAT
ATA
CGG
GCC
TTA-5’
AAT-3’
N-Leu
Arg
Trp
Ile
Ala
Asn-C
Mutazioni non senso (nonsense)
DNA
amminoacidi
3’-AAA
5’-TTT
GCT
CGA
ATC
TAG
N-Phe
Arg
Stop
TAT
ATA
CGG
GCC
TTA-5’
AAT-3’
Slittamento per inserzione (frameshift)
DNA
amminoacidi
3’-AAA
5’-TTT
GCT
CGA
ACC
TGG
ATA
TAT
TCG
AGC
GTT-5’
CAA-3’
N-Phe
Arg
Trp
Tyr
Ser
Gln
GGT
CCA
TA-5’
AT-3’
Slittamento per delezione (frameshift)
GCTA
CGAT
DNA
amminoacidi
3’-AAA
5’-TTT
CCT
GGA
ATC
TAG
N-Phe
Gly
Stop
ABERRAZIONI CROMOSOMICHE
Inversione
I
A
B
C
D
E
A
B
A
B
C
D
E
A
B
D
C
E
Delezione
I
E
Traslocazione bilanciata
I
II
A
B
W X
C
D
Y
Z
C
D
Y
Z
E
A
B
C
Z
W X
Y
D
A
B C X D
E
Inserzione
I
II
A
W X
B
E
W
Y
Z
E
AGENTI MUTAGENI
Le mutazioni possono essere causate anche dall’ esposizione
dell’organismo ad alcuni FATTORI AMBIENTALI
reattivi degli acidi nucleici
(es. nitrito di sodio, usato come antiossidante negli alimenti)
analoghi delle basi nucleotidiche
(es. 5-bromouracile)
MUTAGENI CHIMICI
mutazioni puntiformi agenti intercalanti le basi del DNA
(es. acridine, usate come coloranti)
radiazioni
elettromagnetiche
MUTAGENI FISICI
RADIAZIONI
IONIZZANTI
aberrazioni
cromosomiche
dimeri di
timina
g
X
lunghezza
d’onda
radioterapia
radiografia
3*10^7G
12/h=3*10^6G
ULTRAVIOLETTO
VISIBILE
3*10^5G
INFRAROSSO
MICROONDE
ONDE
HERZIANE
F(Hz)
ONDE
RADIO
300G
1mm
300M
1m
30K
3K
CORRENTI
ALTERNATE
lampade germicide
luce laser-fibre ottiche
calore
10^-3mm
50
radar
radarterapia
TV telefonia cellulare
MF ponti radio
marconiterapia
10Km
100Km
6*10^Km
Trasmissioni
intercontinentali
telefonia
linee di rete
ANEMIA FALCIFORME