E’ vecchia esperienza che attraverso i suoi errori la ... Med 10/13... · La variabilità...
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E’ vecchia esperienza che attraverso i suoi errori la Natura ci offre spesso possibilità inattese di intuire i suoi segreti che sarebbero altrimenti impenetrabili
A.Loewy e C. Neuberg
Evoluzione
Selezione naturale
• Nuovi modi di sfruttare efficacemente l’ambiente
• Competizione con le altre specie
• Riprodursi con successo
Variabilitàgenetica
Diversità
La variabilità genetica causa la formazione di nuove specie
I meccanismi fondamentali che provocano variabilità genetica sono:
• Le mutazioni
• La riproduzione sessuale
Le mutazioni sono variazioni della Le mutazioni sono variazioni della
sequenza nucleotidica del DNA. sequenza nucleotidica del DNA.
Possono essere causate da:Possono essere causate da:
•• errori durante la duplicazione del DNAerrori durante la duplicazione del DNA
•• esposizione delle cellule ad agenti fisici o esposizione delle cellule ad agenti fisici o chimici (agenti mutageni)chimici (agenti mutageni)
•• errori durante le fasi di divisione cellulareerrori durante le fasi di divisione cellulare
ClassificazioneClassificazione
Mutazioni genicheMutazioni geniche
Mutazioni cromosomicheMutazioni cromosomiche
Numero di nucleotidi coinvoltiNumero di nucleotidi coinvolti
(1 nucleotide 1 cromosoma)(1 nucleotide 1 cromosoma)
Effetti delle mutazioni geniche
Perdita o Acquisto della funzione
Nessun effetto
Un miglioramento della funzione
A
A
A1
Perdita o Acquisto della funzione
A1
A
A
Nessun effetto sulla proteina
A
A1
A
Un miglioramento della funzione
A – B
A1 – B1
A2 – B2
A1 soluzione ottimaleA2 soluzione indifferente peggiore di A1
B1 soluzione letaleB2 soluzione indifferente
“Il caso e la necessità”
Cicli ripetuti di errori e prove Evoluzione
L’insorgenza delle mutazioni è L’insorgenza delle mutazioni è
identica in tutto il genoma identica in tutto il genoma
????????
Alcune parti del genoma cambiano Alcune parti del genoma cambiano
più facilmente di altre nel corso più facilmente di altre nel corso
dell’evoluzionedell’evoluzione
•• Hot spot di mutazioniHot spot di mutazioni
•• Funzione svolta da una Funzione svolta da una
determinata regione genomicadeterminata regione genomica
Le regioni altamente conservate e Le regioni altamente conservate e
corrispondono a regioni corrispondono a regioni
funzionalmente importanti funzionalmente importanti
•• geni che codificano per proteine o per geni che codificano per proteine o per
RNA essenziali RNA essenziali
•• regioni di regolazioneregioni di regolazione
Rimangono perfettamente
riconoscibili in tutte le specie
viventi
e sono quelli che dobbiamo utilizzare
se vogliamo ricercare relazioni di
parentela tra i diversi organismi
RNA ribosomiale
PROTEIN SEQUENCES ALIGNMENTPROTEIN SEQUENCES ALIGNMENT
Evoluzione molecolareEvoluzione molecolare
ClassificazioneClassificazione
Mutazioni genicheMutazioni geniche
Mutazioni somatiche e germinali
• Extragenica
• Promotore
• Introni
• Siti di splicing
• Sequenza codificante
Localizzazione
CDSCDS
Le conseguenze che una mutazione Le conseguenze che una mutazione
genica avrà sull’organismo dipendono:genica avrà sull’organismo dipendono:
•• Variazione qualitativaVariazione qualitativa
•• Variazione quantitativaVariazione quantitativa
Le mutazioni geniche che determinanoLe mutazioni geniche che determinano
una variazione una variazione quantitativaquantitativa o o qualitativaqualitativa
di una proteina possono causare la di una proteina possono causare la comparsa dicomparsa di
un fenotipo patologicoun fenotipo patologico
Mutazioni puntiformiMutazioni puntiformi
• Sostituzione (missense mutations; nonsense mutations)
• Inserzione o Delezione (frameshift mutations)
DNA
TransizioniPurina-purina o pirimidina – pirimidina
TransversioniPurina – pirimidina o pirimidina - purina
SostituzioniSostituzioni
La sostituzione di un nucleotide all’interno La sostituzione di un nucleotide all’interno della CDS può causare:della CDS può causare:
•• La comparsa di un codone che codifica per lo La comparsa di un codone che codifica per lo stesso aminoacido;stesso aminoacido;
•• La comparsa di un codone che codifica per un La comparsa di un codone che codifica per un diverso aminoacidodiverso aminoacido
•• La comparsa di un segnale di STOPLa comparsa di un segnale di STOP
Inserzione o Inserzione o DelezioneDelezione
L’aggiunta o la rimozione di 1 o 2 nucleotidi
provoca lo scivolamento della corretta cornice
di lettura (Frameshift).
Di solito si ha l’interruzione della sintesi
proteica in quanto si vengono a trovare nella
nuova cornice di lettura numerosi segnali di
arresto.
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Alterazioni dello splicing
11_12.jpg
5’ UTR
3’ UTR
Effetto di alcune mutazioni sull’mRNA e sulla proteina
Mutazioni dinamiche
Espansioni di triplette
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X fragileX fragile(309550309550)
Frequenza: 1/4000 maschi.
Ereditarietà: Legata al cromosoma X. Malattia causata da mutazione
dinamica.
Genetica: Nel 1991 è stato identificato il gene responsabile. La
mutazione è caratterizzata dall’amplificazione di un tratto di DNA
costituito da una specifica sequenza ripetuta (CGG). Nei soggetti
normali è presente un numero di ripetizioni variabili da 6 a 55.
Esistono due differenti tipi di mutazione: la premutazione (56-200)
e la mutazione completa (>200). La probabilità di espansione
aumenta con le dimensioni della premutazione e quindi con il
passare delle generazioni (Paradosso di Sherman).
Diagnosi: La diagnosi molecolare (Southern blot) permette di
individuare anche gli individui con la premutazione.
Malattia di Huntington(143100)
Frequenza: 5-10/100.000 nati vivi
Ereditarietà : autosomica dominante. Malattia causata da mutazione dinamica
Genetica: Il gene responsabile della malattia ed il suo prodotto proteico sono stati identificati. Il gene definito Intersting Transcript (IT-15), è localizzato sul braccio corto del cromosoma 4 (4p16.3). La malattia è associata all’amplificazione patologica di una specifica sequenza ripetuta (CAG) nell’allele mutato. Nella popolazione normale la tripletta è ripetuta 10-30 volte. Nei pazienti affetti il numero di ripetizioni varia da 36 a più di 100. Un numero intermedio di espansioni 30-35 volte, è considerato una premutazione.
Diagnosi: Il test genetico si basa sulla determinazione del numero di espansione della tripletta.
Mutazioni - Polimorfismi
Con il termine polimorfismo intendiamo delle
variazioni della sequenza nucleotidica che si
presentano con una frequenza maggiore
dell’1%
Informally, the term mutation is often used to
refer to a harmful genome variation that is
associated with a specific human disease, while
the word polymorphism implies a variation that
is neither harmful nor beneficial.
Mutazioni - Polimorfismi
Polimorfismi
Polimorfismi di lunghezza dei frammenti di restrizione (RFLP)
Polimorfismi di un singolo nucleotide (SNP)
Ripetizioni corte in tandem (STR)
Numero variabile di ripetizioni in tandem (VNTR)
Year Disease MIM n Location Gene Chromosome abnormality 1986 Duchenne muscular
dystrophy 310200 Xp21.3 DMD (a) del(X)(p21.3)
(b) t(X;21)(p21.3:p13) Retinoblastoma 180200 13q14 RB del(13)(q13.1q14.5) 1989 Cystic fibrosis 219700 7q31 CFTR None 1990 Neurofibromatosis 1 162200 17q11.2 NF1 Balanced translocations t(1;17)(p34.3:q11.2) t(17;22)(q11.2:q11.2) Wilms' tumor 194070 11p13 WT1 del(11)(p14p13) 1991 Aniridia 106210 11p13 PAX6 t(4;11)(q22;p13) del(11)(p13) Familial polyposis coli 175100 5q21 APC del(5)(q15q22) Fragile-X syndrome 309550 Xq27.3 FMR1 FRAXA fragile site Myotonic dystrophy 160900 19q13.3 DMPK None 1993 Huntington's disease 143100 4p16 HD None Tuberous sclerosis 2 191092 16p13 TSC2 Microdeletions in candidate
region von Hippel-Lindau disease 193300 3p25 VHL Microdeletions in candidate
region 1994 Achondroplasia 100800 4p16 FGFR3 None Early-onset breast/ovarian
cancer 113705 17q21 BRCA1 None
Polycystic kidney disease 173900 16p13.3 PKD1 t(16;22) (p13.3;q11.21) 601313 1995 Spinal muscular atrophy 253300 5q13 SMN1 None 600354
Sono stati utilizzati inizialmente come marcatori genetici
Associazione tra un fenotipo patologico ed un polimorfismo
Polimorfismi
SNPsare very common variationsscattered throughout the genome. Because they are fairly easy tomeasure and are also remarkablystable, being inherited fromgeneration to generation, they have become useful as gene "markers.” If a particular SNP is located near a gene, then every time that gene ispassed from parent to child, the SNP is passed on also. This enables researchers to assume that when they find the same SNP in a group of individual genomes, the associated gene is present also.
Variations Causing Harmful Changes
Variations Causing No Changes
Variations Causing Harmless Changes
However, scientists are now learning that
many polymorphisms actually do affect a
person's characteristics, though in more
complex and sometimes unexpected ways.
Variations Causing Latent ChangesFinally, there are geneticvariations that have "latent" effects. These variations, found in coding and regulatory regions, are not harmful on their own, and the change in each gene only becomes apparent under certain conditions. Such changes may eventuallycause some people to be at higher risk for cancer, but onlyafter exposure to certainenvironmental agents.They may also explain why one person responds to a drugtreatment while another doesnot.
Differente risposta a specifiche terapie
The genome of each individual contains itsown pattern of SNPs.
Thus, each individual has his or her ownSNP profile.
When scientists look at all the patterns froma large number of people they can organize
them into groups.
Individual SNP Profiles
SNPs occur in both coding and noncoding regions and can cause silent, harmless, harmful, or latent effects.
SNPs can be markers for cancer.
SNPs may also be involved in the different levels of individual cancer risk observed.
In the future, SNPs databases may be used to improvecancer diagnosis and treatment planning.
MUTAZIONI CROMOSOMICHE
Di numero(Aneuploidie – Monosomie – Trisomie)
Di struttura(Delezioni, inserzioni, traslocazioni, inversioni)
Pianto simile al miagolio di un gatto, diverse anomalie del viso, severo ritardo mentale
Cri du chat5p-
Astenia ed accrescimento lento nei neonati
Obesità ed attacchi compulsivi di fame nei bambini e negli adulti
Sindrome di Prader-Willi
15q-
Tumore dell’occhioRetinoblastoma13q-
Tumore renaleTumore di Wilms
11q-
FenotipoSindromeDelezione
Delezioni del braccio corto del cromosoma5
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Cromosomi acrocentrici 13, 14, 15, 21,22
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Duplicazioni o delezioni
Acquisto o Perdita di materiale genetico
Di solito comportano alterazioni fenotipiche
Inversioni o traslocazioni
Trasferimento di materiale genetico
Spesse volte non comportano alterazioni fenotipiche ma possono causare infertilità
Disomia uniparentale
Sindrome di Prader-Willi
Sindrome di Angelman
Entrambi i cromosomi (15) sono ereditati dalla madre
Entrambi i cromosomi sono ereditati dal padre
imprinting genomico
In alcuni casi l’espressione di alcuni geni può variare secondo se sono stati ereditati per via
paterna o materna. Questa espressione differenziale viene definita “imprinting
genomico”
L’analisi delle mutazioni permette di:
• Identificare gli individui in fase presintomatica
• Individuare gli eterozigoti a rischio di trasmettere una malattia genetica
• Effettuare la diagnosi prenatale
• Comprendere le basi genetiche delle malattie complesse più comuni