Le mutazioni

riguardano tutti i sistemi biologici;

la variabilità genetica è alla base dell’evoluzione

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Tasso di mutazione

FREQUENZA DI MUTAZIONE= numero di eventi di un tipo di mutazione(frazione di cellule o individui di una popolazione)

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Probabilita’ di un particolare tipo di mutazione in funzione del tempo (no di mutazioni per coppia di nucleotidi per generazione).Esso e’ influenzato dalla “costituzione” genetica dell’organismo(Maschi e femmine dello tesso ceppo di Drosophila hanno lo stesso TM,mentre ceppi diversi no).

Tassi di mutazione spontanea

organismo gene tasso

Zea mays Sh>sh 1x10-6 per generazione Su>su 2x10-6 per generazione

D. melanogaster y+ > y 1x10-4 per cellula germinale

bw+>bw 3x10-5 per cellula germinale

Mus musculus D > d 3x10-5 per cellula germinale

Homo sapiens emofilia A 3x10-5 per cellula germinale

distrofia Duchenne 3x10-4 per cellula germinale

acondroplasia 7x10-5 per cellula germinale

corea di Huntinghton1x10-6 per cellula germinale

retinoblastoma 2x10-5 per cellula germinale

neurofibromatosi 9x10-5 per cellula germinale

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Cause delle mutazioni spontanee

1. errori nella replicazione

2. tautomeria: modificazioni spontanee ed occasionali delle basi del DNA

3. errori del crossing over durante la meiosi

4. radiazioni

5. destabilizzazione indotta dagli elementi trasponibili

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Errori nella replicazione

Genoma umano 2,75 x 109 basi

DNA polimerasi III (5’ 3’) compie errori con frequenza di 1/104 basi.Sistema di controllo (3’ 5’) riduce gli errori 1/106

Ad ogni ciclo replicativo 5,5 x 103 mutazioni

ogni secondo si replicano 109 cellule

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Tautomeria

le basi possono passare dallo stato chetonico normale a quello enolico raro; dalla forma iminica normale a quella aminica rara .

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Tautomeria e conseguenze

Nella sua forma rara una base puo’ formare legami diversi rispetto a quelli normali e causare appaiamenti errati.

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Transizione

5’

3’ 5’

3’ A C G T C T G C A G

A CT G

G*T C

T A G

G T C

C A G

5’

3’ A C G T C T G T A G

5’

3’

5’

3’ 5’

3’ A C G T C T G C A G

5’

3’ 5’

3’ A C G T C T G C A G

5’

3’ A C A T C T G T A G

5’

3’

5’

3’ 5’

3’ A C G T C T G C A G

5’

3’ A C G T C T G C A G

5’

3’

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Se la transizione avviene durante la duplicazione del cromosoma causa sostituzione di basi.

Lo spettro elettromagnetico

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380n

m blu

verd

e gia

llo

rosso

750n

m

LUCE VISIBILE

Onde radioMicroonde UVRaggi XRaggigamma

Raggicosmici

Infrarossi

10-5nm 10-3nm 1nm 103 nm 106 nm 109nm 103mlunghezza d’onda

radiazione ionizzanteLivello energetico

piu’ alto piu’ basso

Radiazioni ionizzanti e conseguenze

Le radiazioni ionizzanti possono provocare rotture cromosomiche e quindi sia riarrangiamenti cromosomici che mutazioni puntiformi.

Le radiazioni ionizzanti penetrano nei tessuti in notevole profondità. Nel loro percorso collidono con gli atomi che incontrano e determinano il rilascio di elettroni e la formazione di ioni carichi positivamente. Questi collidono con altre molecole e quindi si liberano ulteriori elettroni e così via. Si forma quindi un cono di ioni lungo il percorso di ogni raggio ad alta energia attraverso i tessuti viventi.

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Radiazioni non ionizzanti e riparazione

I raggi UV inducono la formazione di dimeri di timina adiacenti nel DNA; questo modifica la conformazione della doppia elica. La distorsione può essere riparata mediante fotoreattivazione e per escissione (a sinistra)

TGCTCATATGGACA T T AGTCGGTTCATGGT

ACGAGTATACCTGT A A TCAGCCAAGTACCA

TGCTCATATGGACA T T AGTCGGTTCATGGT

ACGAGTATACCTGT A A TCAGCCAAGTACCA

TGCTCATATGG CGGTTCATGGTTGGT

ACGAGTATACCTGT A A TCAGCCAAGTACCA

TGCTCATATGGACATAGCGGTTCATGGT

ACGAGTATACCTGTATCAGCCAAGTACCA

TGCTCATATGGACATAGCGGTTCATGGT

ACGAGTATACCTGTATCAGCCAAGTACCA

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UVformazione di dimeri

Endonucleasi

Esonucleasi

DNA polimerasi I

Ligasi

Riparazione del DNA nell’uomo

Xeroderma pigmentosum: malattia autosomica recessiva,estrema sensibilità della pelle ai raggi UV ed elevata incidenza di carcinomi della pelle e melanomi.Causa: incapacità di riparare i danni al DNA provocati dai raggi UV per l’inabilità ad operare il taglio iniziale che porta alla eliminazione del dimero di timina ed alla sua riparazione.

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Origine delle mutazioni spontanee

Non esiste una quantità adeguata di radiazioni di fondo (raggi cosmici, materiali radioattivi terrestri) sufficiente per spiegare i tassi di mutazione osservati nella maggior parte degli organismi. Ad esempio, in Drosophila, il tasso di mutazione spontanea è circa 1300 volte quello atteso considerando l’intensità delle radiazioni naturali e quindi hanno piccola responsabilità nella determinazione delle mutazioni spontanee.

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Carico da radiazione naturale nell’uomo

sorgente di radiazione dose in mSv/annoradiazioni naturali 0,82radiazione cosmica 0,28radioisotopi nel corpo 0,28altre radiazioni 0,26radiazioni dovute alla civilizzazione 0,35esami radioscopici 0,20radiofarmaci 0,02-,04irradiazione da raggi X dovuti a 0,04-,05televisione, radiazione da edifici 0,04-,05inquadramento da test armi nucleari 0,04-,05centrali nucleari 0,01aereo 0,004-,008TOTALE ca. 1,17

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Cause delle mutazioni spontanee

La natura del processo di mutazione spontanea va cercata all’interno della cellula e dell’organismo.

•TEMPERATURA

•ETA’

•GENI MUTATORI

•ELEMENTI TRASPONIBILI

In Drosophila maschi e femmine dello stesso ceppo hanno = tasso di mutazione, mentre individui di ceppi diversi hanno TM differenti

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Elementi trasponibili (ET)

Le mutazioni da ET sono molto elevate; per esempio nel granturco i mutanti waxy naturali da ET sono circa 80%

Elementi genetici che si spostano nel genoma. Se si inseriscono in/o nelle vicinanze di un gene lo inattivano

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ET

elemento genetico trasponibile

Gene

mRNA

polipeptide attivo

Segmento genico separato da un ET

mRNA

polipeptide tronco inattivo

Possiamo incrementare la frequenza di mutazione?

genetici

i mutageni fisici

chimici

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Mutageni chimici e loro azioneNome comune azione, proprietà particolari

A. AGENTI ALCHILANTI: donano gruppi alchilici ad altre molecoleGas di mostarda (iprite) transizioniEMS etilazione; transizioni G:C-A:TEES etilazione; bifunzionale lega i due filamenti

del DNA provocando rotture ed aberrazioni.NTG deaminazione

B. ANALOGHI DI BASE: incorporati durante la replicazione5-BU analogo della timina; transizioni per tautomeria5-BrDU analogo della adenina;transizioni per tautomeria2-AP transizioni per tautomeria

C. COLORANTI ACRIDINICI: intercalanti, distorcono la struttura del DNA; alla replicazione si ha l’inserzione o la delezione di una o più basiProflavina sfasamento del modulo di letturaArancio di acridina sfasamento del modulo di lettura

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ClB: test per la selezione di mutazioni X-linked indotte in D.melanogaster

ClB

? ClB ClB?

Letale

P

F1

Reincrocio

ClB ? ClB

Letale

?

X

X

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? ClB

Azione mutagena dei raggi X

il numero delle mutazioni legate al sesso aumenta linearmente

con la dose somministrata

il numero di mutazioni è cumulativo

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Incrocio disgenico promuove la mobilizzazione dell’elemento trasponibile P

conseguenze:- sterilità - alta frequenza di mutazioni - alterazioni cromosomiche - non disgiunzione