Capitolo 7

Mutazione e riparazione del DNA,ed elementi trasponibili

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

http://web.unife.it/progetti/genetica/Guido/index.php?lng=it&p=4

Domande 7

• Da dove viene la variabilità genetica?• Che esperimenti hanno permesso di capire il rapporto fra

variabilità e mutazione?• In quanti e quali modi possono avvenire le mutazioni?• Come fa la cellula a riparare i danni al suo DNA?• È tutto nostro il DNA delle nostre cellule?

Figura 7.1

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Schema delle mutazioni in regioni codificanti del genoma

1. Lamarck: L’ambiente crea variabilità (mutazione diretta)

Due ipotesi alternative

Da dove viene la variabilità genetica?

2. Darwin: La variabilità preesiste all’interazione con i fattori ambientali (mutazione spontanea)

Come provarlo? Colture del batterio Escherichia coli.

Crescita in brodo di coltura liquido

Piastramento su terreno solido

Se nel terreno di coltura è presente il batteriofago T2, un parassita di E.coli, non si osserva crescita batterica

a meno che qualche batterio non abbia acquisito, per mutazione, la resistenza al batteriofago

http://evilutionarybiologist.blogspot.com/2008/07/this-weeks-citation-classic-fluctuation.html

Mutazione diretta e spontanea hanno conseguenze diverse

Se ha ragione Lamarck(mutazione diretta, post-adattativa)

Se ha ragione Darwin(mutazione spontanea, pre-adattativa)

Ci si attende lo stesso numero di colonie mutanti in ogni esperimento, perché l’esposizione al fattore selettivo è stata simultanea in ogni coltura (varianza = media)

Ci si attendono numeri diversi di colonie mutanti nei diversi esperimenti, perché la resistenza si è sviluppata in momenti diversi (varianza > media)

Luria e Delbrück (1943): Il test di fluttuazione

Joshua e Esther Lederberg (1952): Il replica-plating

Figura 7.15

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Il replica-plating permette di identificare mutanti

Lederberg (1952): Il replica-plating e la resistenza al fago T2

La mutazione è spontanea, pre-adattativa

Classificazione delle mutazioni

A seconda della cellula interessata:somatica – germinale

A seconda dell’entità:puntiforme – genica – cromosomica – genomica

A seconda della loro origine:spontanee – indotte

A seconda dell’effetto

Figura 7.3

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Classificazione delle mutazioni puntiformi a seconda del loro effetto

Figura 7.4

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Mutazioni nonsenso e loro effetto sulla traduzione

Figura 7.6

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Come avvengono le mutazioni? Quando una base cambia accidentalmente forma tautomerica, ne derivano appaiamenti anomali:

T – G C – A

C – A T – G

Figura 7.7

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Cosa succede quando nella replicazione un appaiamento errato non viene corretto dalla DNA P?

Figura 7.8

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Inserzioni e delezioni dovute a ripiegamenti dell’elica stampo

Figura 7.9

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Mutageni chimici: Le radiazioni possono danneggiare il DNA, provocando deamminazione

Figura 7.10

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Mutageni fisici: Le radiazioni UV possono provocare la formazione di legami covalenti fra

pirimidine adiacenti (generalmente: dimeri di timina) che interrompono la replicazione

Figura 7.11

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Mutageni chimici: il 5-Br-uracile

Figura 7.13

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Mutageni chimici: proflavina, acridina, bromuro di etidio (agenti intercalanti)

Figura 7.12

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Altri mutageni chimici:

Figura 7.14

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Il test di Ames si basa sulla capacità dei mutageni chimici di indurre retromutazione

Molte sostanze non sono mutagene di per sé, ma vengono convertite in mutageni dall’azione di enzimi epatici

Le mutazioni che osserviamo sono in sostanza danni al DNA che non sono stati riparati. Molti errori vengono corretti perché:

1. La DNA polimerasi ha un sistema di correzione degli errori (attività esonucleasica 3’ → 5’)

2. Ci sono altri sistemi di riparazione per correzione diretta che ripristinano le condizioni iniziali della doppia elica

3. Ci sono sistemi di riparazione per escissione che rimuovono la regione danneggiata producendo un gap che viene in seguito colmato per nuova sintesi di DNA

Riparazione per correzione diretta

Tramite fotoriattivazione: In vari procarioti ed Eucarioti, dimeri di timina vengono riparati grazie all’enzima fotoliasi, che scinde il dimero grazie all’energia rilasciata da un fotone (λ=320-370 nm). (Nell’uomo esiste un meccanismo simile, ma non l’enzima fotoliasi).

Tramite metiltransferasi: In molti procarioti, l’effetto degli agenti alchilanti viene annullato da un enzima (metilguanina-metiltransferasi) che rimuove il gruppo metilico dalla guanina

Figura 7.18

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Malattie legate a difetti genetici nella riparazione del DNA

Xeroderma pigmentoso

Anemia di Fanconi

Cancro del colon non poliposico ereditario

Una classe di eventi che modificano ereditariamente il fenotipo, e cioè di mutazioni, è causata dallo

spostamento di tratti del DNA da una regione del genoma a un’altra: elementi genetici mobili o trasponibili (spesso indicati come trasposoni).

“jumping genes”

Gli elementi genetici mobili sono tratti di DNA che possono spostarsi (= trasporsi) dentro al genoma di una cellula.

“Copia e incolla”Il DNA viene copiato in un tratto di RNA, che si sposta e su cui viene sintetizzato nuovo DNA (solo Eucarioti)

“Taglia e incolla”Il DNA viene tagliato e si sposta in un’altra posizione(Eucarioti e procarioti)

Due meccanismi di trasposizione:

Figura 7.23

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Barbara McClintock (1948): “mutazioni instabili” e “jumping genes” nel mais

Figura 7.24

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“taglia e incolla”

4563 bp lunghezza variabile

Figura 7.24

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

La trasposizione ha effetti fenotipici

Può inattivare geni, interrompendone la continuità o neutralizzando l’effetto di sequenze regolatrici

Può attivare geni, ripristinandone la continuità o rendendo disponibili sequenze regolatrici

Figura 7.19

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Gli elementi mobili più semplici sono le sequenze di inserzione (elementi IS) di Escherichia coli

circa 800 bp, presente in numerose forme (IS1, IS2…) e in molte copie nel genoma

“Taglia e incolla”

Figura 7.20

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Gli elementi IS iniziano e terminano con sequenze (IR: 9-40 basi) ripetute e invertite

“Taglia e incolla”

Alcuni elementi IS osservati nei procarioti

“Taglia e incolla”

Figura 7.21

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I trasposoni sono elementi mobili di maggiori dimensioni, che contengono più geni (oltre a quello per la trasposasi). Possono avere

come ripetizioni invertite due interi elementi IS

“Taglia e incolla”

I meccanismi a “copia e incolla” comprendono l’intervento di un intermedio a RNA

L’intermedio a RNA viene sintetizzato grazie a una trascrittasi inversa codificata dai geni contenuti nell’elemento mobile

In questo modo, il numero di elementi mobili nel genoma tende ad aumentare costantemente

Nei mammiferi, dal 25% al 40% dei cromosomi è costituito da elementi mobili, che si traspongono generalmente attraverso un

intermedio a RNA

“Copia e incolla”

I meccanismi a “copia e incolla” comprendono l’intervento di un intermedio a RNA: retrotrasposizione

L’intermedio a RNA viene sintetizzato grazie a una trascrittasi inversa codificata dai geni contenuti nell’elemento mobile

Nei mammiferi, oltre il 25% del genoma è costituito da elementi mobili

“Copia e incolla”

Target

Integration

Transcription

RNA

cDNA

Reverse Transcription

Figura 7.26

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A “Copia e incolla”

Un retrotrasposone: Ty nel lievito

Si stima che gli elementi trasponibili rappresentino il 45% del genoma umano

“Copia e incolla”

Molti elementi trasponibili degli Eucarioti contengono regioni del DNA estremamente simili a quelle trovate in

virus ad RNA

“Copia e incolla”

La spiegazione più accettata è che i retrotrasposoni rappresentino copie di genomi virali integrate nel

genoma di organismi superiori

“Copia e incolla”

La sequenza di un retrotrasposone può inserirsi in una regione codificante, causando una serie di possibili conseguenze

Sintesi 07• Le mutazioni sono cambiamenti ereditari della sequenza del DNA• Si possono classificare le mutazioni in base alle cellule interessate,

all’entità del cambiamento, alla loro origine e alle loro conseguenze sul fenotipo

• Gli esperimenti di Luria e Delbrück e di Lederberg hanno dimostrato che la mutazione è spontanea e preadattativa

• Le mutazioni possono insorgere per un errato appaiamento in fase di replicazione del DNA, o per danni al DNA causati da fattori chimici e fisici

• Nella cellula esistono meccanismi per la riparazione del DNA• Una particolare classe di mutazioni è dovuta al taglio o alla copia

(tramite intermedi a RNA) di tratti di DNA, gli elementi mobili, che vengono poi trasposti in un’altra posizione

• I retrotrasposoni contengono una trascrittasi inversa e sono evolutivamente imparentati con i retrovirus