La mutazione

Cambiamento ereditario, raro, casuale ed improvviso che provoca una alterazione

qualitativa e/o quantitativadell’informazione genetica

La mutazione

1. Crea variabilità sulla quale agisce la selezionenaturale nel processo evolutivo

2. Permette l’analisi genetica

3. È alla base del miglioramento genetico di piante ed animali di interesse agronomico

TeorieTeorie sullsull’’origineorigine delladella variazionevariazione geneticagenetica

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

sostituzionitransizioni (purina/purina, pirimidina/pirimidina)transversioni (purina/pirimidina, pirimidina/purina)

delezioni

inserzioni

CaratteristicheCaratteristiche delledelle mutazionimutazioni genichegeniche

• reversibilità

• capacità di dare ricombinanti di tipo selvatico con altri individui mutati nello stesso gene

EffettiEffetti delledelle sostituzionisostituzioni didi basibasi

✽ mutazione “missense”UCU (ser) --> CCU (pro)

✽ mutazione non sensoGGA (gly) --> UGA (stop)

✽ mutazione sinonimica o neutraAAA (lys) --> AGA (arg)

✽ mutazione silenteCUU (leu) --> CUC (leu)

✽ Mutazione “frameshift”

UUU AGU GGA GCA CAUphe ser gly ala his

UUU AGG GAG CAC AUphe arg glu his

EffettoEffetto delledelle inserzioni/delezioniinserzioni/delezioni didi basibasi

Non sempre una mutazione può dare effetti visibili a livello fenotipico:

1. Se si verifica in un gene che codifica per una proteinanon indispensabile

2. Se il gene mutato non si esprime3. 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 lafunzione della proteina (mutazione sinonimica)

5. Se si ha la soppressione della mutazione da parte diun’altra mutazione

SoppressioneSoppressione delledelle mutazionimutazioni

Reversione vera

Reversione parziale

Reversione da soppressione

SoppressioneSoppressione delladella mutazionemutazione

❉ Soppressione interna o intragenica

❉ Soppressione esterna o intergenica

Cause Cause delledelle mutazionimutazioni genichegeniche

Errori nella replicazione del DNAappaiamento sbagliatoslittamento di sequenze ripetute

Lesioni spontaneedepurinazionedeaminazionedanni da ossidazione

Agenti mutageni

Le transizioni tautomeriche delle basicausano errori di appaiamento

Slittamento di sequenze ripetute(Streisinger 1960)

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MalattieMalattie causatecausate dada espansioneespansione didi sequenzesequenzetrinucleotidichetrinucleotidiche

• 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-idrodeossiguanosinasi appaia con l’adenina

Timidinglicoleblocca la replicazione

AgentiAgenti mutagenimutageni

Fisici

radiazioni non ionizzanti (raggi UV)radiazioni ionizzanti

Chimici

analoghi delle basiagenti alchilantiagenti intercalanti

I mutageni fisici

• Le radiazioni:

ionizzantinon ionizzanti

http://saturn.jpl.nasa.gov/mission/nav-uplink.cfm

MutageniMutageni fisicifisici: : le le radiazioniradiazioni non non ionizzantiionizzanti ((raggiraggi UV)UV)

1. Determinano la formazione di dimeridi pirimidine

2. I danni causati dairaggi UV vengonoriparati attraverso la fotoriparazione

1)

2)

fotoliasi

MutageniMutageni fisicifisici: : le le radiazioniradiazioni ionizzantiionizzanti

Comprendono:

-le radiazioni di natura elettromagnetica (raggi X, raggi gamma, raggi cosmici), caratterizzate dafrequenze elevate e bassa lunghezza d’onda

-le radiazioni di natura corpuscolata (particelle alfa,elettroni, neutroni, protoni)

Possono causare alterazioni della struttura delmateriale genetico:

- per effetto diretto delle radiazioni sul DNA- per effetto indiretto dovuto alla produzione di ioni eradicali 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

MutageniMutageni chimicichimici: : gligli analoghianaloghi delledelle basibasi

5-bromouracileanalogo della timina che nella forma ionizzata siappaia con la guanina

2-aminopurinaanalogo dell’adenina che nello stato protonatosi appaia con la citosina

MutageniMutageni chimicichimici: :

•• GliGli agentiagenti alchilantialchilanti (iprite, azoto-iprite, epossidi, EtilMetanSulfonato, ….)

• Legano all’acido nucleico un gruppo alchilico (metile,etile)• Alterano le basi causando appaiamenti erraties. O-6-etilguanina si appaia con timina

•• GliGli agentiagenti intercalantiintercalanti (acridine, bromuro di etidio)• si inseriscono fra le basi azotate e causano inserzionie delezioni

http://www.biologie.uni-hamburg.de/lehre/mikro/mikro402/mi4v09.htm

MutazioniMutazioni cromosomichecromosomiche::

Cambiamenti nella struttura dei cromosomi

1. Delezioni2. Duplicazioni3. Inversioni4. Traslocazioni

La delezionedelezione può essere causata da:

• Mutageni fisici: radiazioni ionizzanti• Temperatura• Elementi trasponibli• Errori nella ricombinazione

Ansa da delezione

cromosoma condelezione

cromosoma normale

• Pseudo-dominanza• Malattie determinate da delezioni

– Sindrome del “cri-du-chat”: delezione del braccio cortodel 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.)

Conseguenze delle delezioni

DuplicazioneDuplicazione

Dovuta a crossing over ineguale fra cromosomi omologhi

A B C D E

A B C D E

A B C B C D E

A D E

DuplicazioneDuplicazione ed ed evoluzioneevoluzione del del genomagenoma

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

mioglobina alfa globine beta globine

800 milioni di anni

500 milioni di anni

200 milioni di anni

40 m. a.

100 m. a.

L’evoluzione del genoma di Arabidopsis thaliana èavvenuta attraverso una serie di duplicazioni

segmentali

The Arabidopsis Genome Initiative (2000) Nature 408: 796-815

Anche nel genomaumano sono state identificate numeroseduplicazioni segmentali(circa 5.2%)

Bailey et al. (2002) Science 297: 1003-1007

MalattieMalattie associate a associate a riarrangiamentiriarrangiamenticromosomicicromosomici mediatimediati dada duplicazioniduplicazioni

segmentalisegmentali

1. Emofilia A2. Neurofibromatosi tipo 13. Neuropatia ereditaria (HNPP)4. Sindrome di Prader-Willi5. Sindrome di Williams-Beuren6. Sindrome di Smith-Magenis7. …..

• Si possono distinguere due tipi di inversione– paracentrica, se non comprende il

centromero– pericentrica, se comprende il centromero

InversioneInversione

Quando si ha a che fare con inversioni eterozigotinon 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 Le mutazionimutazioni genomichegenomiche

Cambiamenti nel numero dei cromosomi

- Aneuploidia: perdita o aggiunta di unoo pochi cromosomi

- Poliploidia: il numero cromosomicodiventa multiplo di quello normale

- autopoliploidia- allopoliploidia

Aneuploidia

Nullisomia (2n - 2)Monosomia (2n - 1) es. sindrome di Turner X0Trisomia (2n + 1) 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

SindromeSindrome didi Down Down familiarefamiliare

Traslocazione robertsonianaIl braccio lungo del cromosoma 21 si unisce al bracciolungo del cromosoma 14 o 15Tre copie del braccio lungo del cromosoma 21

Poliploidia

Autopoliploidia: presenza di più corredi cromosomicidella stessa specie

Allopoliploidia: presenza di più corredi cromosomicidi specie diverseEs. la “raphanobrassica” (Karpechenko 1928)

il Triticale (frumento + segale)

Animali poliploidi

PlatelmintiSanguisugheCrostaceiAnfibiRettiliPesci