La mutazione
Cambiamento ereditario, raro, casuale ed
improvviso che provoca una alterazione
qualitativa e/o quantitativa
dell’informazione genetica
La mutazione
1. Crea variabilità sulla quale agisce la selezione
naturale nel processo evolutivo
2. Permette l’analisi genetica
3. È alla base del miglioramento genetico di piante ed
animali di interesse agronomico
Teorie sull’origine della variazione genetica
1. Teoria genetica o del pre-adattamento
2. Teoria adattativa o del post-adattamento
Esperimenti in favore della teoria genetica:
- test di fluttuazione (Luria e Delbrück 1943)
- replica plating (Joshua ed Esther Lederberg 1952)
Tipi di mutazioni
• Geniche o puntiformi
• Cromosomiche
• Genomiche
Mutazioni geniche o puntiformi
9sostituzioni
transizioni (purina/purina, pirimidina/pirimidina)
transversioni (purina/pirimidina, pirimidina/purina)
9 delezioni
9 inserzioni
Caratteristiche delle mutazioni geniche
• reversibilità
• capacità di dare ricombinanti di tipo selvatico con
altri individui mutati nello stesso gene
Effetti delle sostituzioni di basi
✽ mutazione “missense”
UCU (ser) --> CCU (pro)
✽ mutazione non senso
GGA (gly) --> UGA (stop)
✽ mutazione sinonimica o neutra
AAA (lys) --> AGA (arg)
✽ mutazione silente
CUU (leu) --> CUC (leu)
Effetto delle inserzioni/delezioni di basi
✽ Mutazione “frameshift”
UUU AGU GGA GCA CAU
phe ser gly ala his
UUU AGG GAG CAC AU
phe arg glu his
Non sempre una mutazione può dare effetti visibili a
livello fenotipico:
1. Se si verifica in un gene che codifica per una proteina
non indispensabile
2. Se il gene mutato non si esprime
3. Se si forma una nuova tripletta che specifica lo stesso
aminoacido (mutazione silente)
4. Se si forma una nuova tripletta che specifica un
aminoacido diverso, ma la sostituzione non altera la
funzione della proteina (mutazione sinonimica)
5. Se si ha la soppressione della mutazione da parte di
un’altra mutazione
Soppressione delle mutazioni
9 Reversione vera
9 Reversione parziale
9 Reversione da soppressione
Soppressione della mutazione
❉ Soppressione interna o intragenica
❉ Soppressione esterna o intergenica
Cause delle mutazioni geniche
Errori nella replicazione del DNA
appaiamento sbagliato
slittamento di sequenze ripetute
Lesioni spontanee
depurinazione
deaminazione
danni da ossidazione
Agenti mutageni
Le transizioni tautomeriche delle basi
causano errori di appaiamento
Slittamento di sequenze ripetute
(Streisinger 1960)
GAGAGAGAGA
CTCTCTCTCT
GAGAGAGAGA
CTCTCTCTCT
GA
GAGAGAGAGA
CTCTCTCTCT
GAGAGAGAGA
CTCTCTCTCT
GAGAGAGAGA
CTCTCTCTCT
GAGAGAGAGAGA
CTCTCTCTCTCT
GAGAGAGAGA
CTCTCTCTCT
Malattie causate da espansione di sequenze
trinucleotidiche
• Malattia di Huntington (regione codificante)
da (CAG -> gln)6-35 a (CAG)36-121
• Distrofia miotonica (maturazione RNA ?)
da (CTG)5-37 a (CTG)50-3000
• Sindrome dell’X fragile (regione leader non
tradotta)
da (GCC)6-53 a (GCC)60-230
Lesioni spontanee: danni da ossidazione
8-oxo-7-idrodeossiguanosina
si appaia con l’adenina
Timidinglicole
blocca la replicazione
Agenti mutageni
ª Fisici
ª radiazioni non ionizzanti (raggi UV)
ª radiazioni ionizzanti
ª Chimici
ª analoghi delle basi
ª agenti alchilanti
ª agenti intercalanti
I mutageni fisici
• Le radiazioni:
ionizzanti
non ionizzanti
http://saturn.jpl.nasa.gov/mission/nav-uplink.cfm
Mutageni fisici: le radiazioni non ionizzanti (raggi UV)
1)
1.
Determinano la
formazione di dimeri
di pirimidine
2. I danni causati dai
raggi UV vengono
riparati attraverso la
fotoriparazione
fotoliasi
2)
Mutageni fisici: le radiazioni ionizzanti
Comprendono:
-le radiazioni di natura elettromagnetica (raggi X,
raggi gamma, raggi cosmici), caratterizzate da
frequenze elevate e bassa lunghezza d’onda
-le radiazioni di natura corpuscolata (particelle alfa,
elettroni, neutroni, protoni)
Possono causare alterazioni della struttura del
materiale genetico:
- per effetto diretto delle radiazioni sul DNA
- per effetto indiretto dovuto alla produzione di ioni e
radicali liberi a carico di altri componenti cellulari
Tipo di danno:
- rottura di uno o di entrambi i filamenti del DNA
- eliminazione di basi
- formazione di legami fra le due eliche del DNA
Mutageni chimici: gli analoghi delle basi
5-bromouracile
analogo della timina che nella forma ionizzata si
appaia con la guanina
2-aminopurina
analogo dell’adenina che nello stato protonato
si appaia con la citosina
Mutageni chimici:
• Gli agenti alchilanti (iprite, azoto-iprite, epossidi,
EtilMetanSulfonato, ….)
• Legano all’acido nucleico un gruppo alchilico (metile,
etile)
• Alterano le basi causando appaiamenti errati
es. O-6-etilguanina si appaia con timina
• Gli agenti intercalanti (acridine, bromuro di etidio)
• si inseriscono fra le basi azotate e causano inserzioni
e delezioni
http://www.biologie.uni-hamburg.de/lehre/mikro/mikro402/mi4v09.htm
Mutazioni cromosomiche:
Cambiamenti nella struttura dei cromosomi
1.
2.
3.
4.
Delezioni
Duplicazioni
Inversioni
Traslocazioni
La delezione può essere causata da:
•
•
•
•
Mutageni fisici: radiazioni ionizzanti
Temperatura
Elementi trasponibli
Errori nella ricombinazione
Ansa da delezione
cromosoma normale
cromosoma con
delezione
Conseguenze delle delezioni
• Pseudo-dominanza
• Malattie determinate da delezioni
– Sindrome del “cri-du-chat”: delezione del braccio corto
del cromosoma 5
– Sindrome di Prader-Willi: delezione di una parte del
braccio lungo del cromosoma 15
– Retinoblastoma: delezione di una banda del cromosoma 13
– Tumori (alcuni tipi di neuroblastoma, melanoma, carcinoma
polmonare, ecc.)
Duplicazione
Dovuta a crossing over ineguale fra cromosomi omologhi
A
A
A
B
C
D
E
A
B
C
D
E
B
D
B
C
E
C
D
E
Duplicazione ed evoluzione del genoma
1. duplicazione dell’intero genoma
2. duplicazione di un cromosoma o parte di esso
3. duplicazione di un gene o gruppo di geni
Duplicazione di singoli geni o piccoli gruppi di geni:
le famiglie multigeniche
800 milioni di anni
500 milioni di anni
200 milioni di anni
100 m. a.
40 m. a.
mioglobina
alfa globine
beta globine
L’evoluzione del genoma di Arabidopsis thaliana è
avvenuta attraverso una serie di duplicazioni
segmentali
The Arabidopsis Genome Initiative (2000) Nature 408: 796-815
Anche nel genoma
umano sono state
identificate numerose
duplicazioni segmentali
(circa 5.2%)
Bailey et al. (2002) Science 297: 1003-1007
Malattie associate a riarrangiamenti
cromosomici mediati da duplicazioni
segmentali
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Emofilia A
Neurofibromatosi tipo 1
Neuropatia ereditaria (HNPP)
Sindrome di Prader-Willi
Sindrome di Williams-Beuren
Sindrome di Smith-Magenis
…..
Inversione
• Si possono distinguere due tipi di inversione
– paracentrica, se non comprende il
centromero
– pericentrica, se comprende il centromero
Quando si ha a che fare con inversioni eterozigoti
non si osservano i prodotti della ricombinazione.
Il fenomeno è stato chiamato
soppressione del crossing over
in realtà il crossing over si verifica, ma genera
prodotti non vitali.
Traslocazione
Le mutazioni genomiche
Cambiamenti nel numero dei cromosomi
- Aneuploidia: perdita o aggiunta di uno
o pochi cromosomi
- Poliploidia: il numero cromosomico
diventa multiplo di quello normale
- autopoliploidia
- allopoliploidia
Aneuploidia
Nullisomia (2n - 2)
Monosomia (2n - 1)
Trisomia (2n + 1)
es. sindrome di Turner X0
es. sindrome di Klinefelter XXY
sindrome di Down (21)
sindrome di Patau (13)
sindrome di Edwards (18)
Non disgiunzione meiotica
http://www.perinatal.nhs.uk/
La probabilità di avere un bambino Down
aumenta con l’età della madre
http://www.blc.arizona.edu/courses/181gh/rick/human_genetics/karyotype.html
Sindrome di Down familiare
Traslocazione robertsoniana
Il braccio lungo del cromosoma 21 si unisce al braccio
lungo del cromosoma 14 o 15
Tre copie del braccio lungo del cromosoma 21
Poliploidia
Autopoliploidia: presenza di più corredi cromosomici
della stessa specie
Allopoliploidia: presenza di più corredi cromosomici
di specie diverse
Es. la “raphanobrassica” (Karpechenko 1928)
il Triticale (frumento + segale)
Animali poliploidi
Platelminti
Sanguisughe
Crostacei
Anfibi
Rettili
Pesci