Mutazioni somatiche e germinali

Progenie normale

Tessuto somatico

Tessuto germinale

Clone cellulare mutante

Progenie normale

Progenie mutante

Mutazione somatica Mutazione germinale

Cloni cellulari mutanti

Eventi mutazionali

Mutazione precoceMutazione tardiva

Tempo

Popolazioni iniziali

Popolazioni finali

TASSO DI MUTAZIONE E FREQUENZA DI MUTAZIONE

Il tasso di mutazione misura la frequenza con cui una mutazione si origina ex novo in un’unità di tempo “biologico” (di solito una generazione)

La frequenza di mutazione misura la frequenza della mutazione in una popolazione nel momento dell’osservazione

Il tasso di mutazione è di una nuova mutazione ogni 7 divisioni cellulari

La frequenza di mutazione nella 4° generazione è di 2 mutanti su 8 cellule

MUTAZIONI CROMOSOMICHE STRUTTURALI (RIORDINAMENTI) O NUMERICHE

• Si studiano attraverso:

• a) l’analisi morfologica al microscopio ottico;

• b) l’analisi genetica delle conseguenze fenotipiche specifiche.

Sono modificazioni ereditabili nella struttura o nel numero dei cromosomi; producono il cambiamento del numero o della posizione dei geni, ma non la comparsa di nuovi alleli

•Le mutazioni strutturali derivano dal danneggiamento dei cromosomi;

•le mutazioni numeriche derivano dall’alterazione dei meccanismi di distribuzione dei cromosomi

MUTAZIONI CROMOSOMICHE: caratteristiche generali

• Le mutazioni cromosomiche possono essere:

•Bilanciate: tutti i geni sono presenti nello stesso numero di copie (inversioni, traslocazioni, fusioni e fissioni centriche; euploidie);

•Sbilanciate: alcuni geni sono presenti in un numero di copie diverso da tutti gli altri geni (duplicazioni, delezioni, aneuploidie).

•Stabili: hanno un’elevata probabilità di essere ereditate così come sono;

•Instabili; hanno un’elevata probabilità di originare ulteriori mutazioni.

A A B B C C

ORIGINE DEI RIORDINAMENTI STRUTTURALI

A

B

C

A

B

ROTTURA

DELEZIONE TERMINALE (instabile)

SI PERDE IL FRAMMENTO ACENTRICO

C

A

B

C

A

B

C

APPAIAMENTO

IRREGOLARE CROSSING OVERINEGUALE

A

B

B

C

A

C DELEZIONE INTERSTIZIALE(stabile)

DUPLICAZIONEIN TANDEM(stabile)

complementari

ORIGINE DEI RIORDINAMENTI STRUTTURALI 2:due rotture su due bracci diversi dello stesso cromosomaA

B

C

D

E

F

F

B E

A

C D

FB E

AC D

SI PERDE IL FRAMMENTOACENTRICO

ANELLO (instabile)

FB E

AC D

B

C D

A

D

C

B

E

FINVERSIONEPERICENTRICA(stabile)

F E

A

2 rotture

ORIGINE DEI RIORDINAMENTI STRUTTURALI 3:due rotture sullo stesso braccio dello stesso cromosoma

A

B

C

D

E

F

SI PERDE IL FRAMMENTOACENTRICO

DELEZIONEINTERSTIZIALE(stabile)

A

B

D

C

E

F

INVERSIONEPARACENTRICA(stabile)

F C E

D B

A

FC E

D B A

C

D

F E

B A

F C E

D B A

ORIGINE DEI RIORDINAMENTI STRUTTURALI 4:due rotture su due cromosomi diversi

A

B

C

D

E

F

G

H

I

L

M

N

A

B

C

D

E

F

G

H

IL

MN

A

B

C

G

H

IL

A

B

C

D

E

F

G

H

IL

MN

2 rotture

SI PERDE IL FRAMMENTOACENTRICO

MN D

EF

A

B

C

M

N

G

H

I

L

D

E

F

CromosomaDicentrico(instabile)

TRASLOCAZIONERECIPROCA

STABILE

ORIGINE DEI RIORDINAMENTI STRUTTURALI 5:riordinamenti al livello del centromero

2 rotture

SI PUO’ PERDERE IL CROMOSOMA PUNTIFORME

FISSIONE CENTRICA

STABILE

A

B

C

D

E

F

A

B

F

E

D

C A

B

FE

DC

A

B

C

D

E

F

FUSIONE CENTRICA

STABILE

?

Origine di mutazioni numeriche 1: monosomie e trisomie A- IN MITOSI

2n +1

2n - 1

2n - 1

2n - 1 2n - 1

2n

Non disgiunzione

Perdita cromosomica

Perdita cromatidica

Il risultato di alterazioni semplici alla mitosi è la comparsa di cellule monosomiche e trisomiche

Origine di mutazioni numeriche 1: monosomie e trisomie B- IN MEIOSI I

2 (n +1)

2 (n – 1)

2 (n – 1)

2 (n – 1) 2(n – 1)

2 (n)

Non disgiunzione

Perdita del bivalente

Perdita cromosomica

Il risultato di alterazioni semplici alla meiosi I è la comparsa di paia di gameti nullisomici e disomici

Se i gameti nullisomici e disomici partecipano alla fecondazione con gameti aploidi normali, ne risultano zigoti monosomici e trisomici rispettivamente

Origine di mutazioni numeriche 1: monosomie e trisomie C- IN MEIOSI II

n +1

n - 1

n - 1

n - 1 n - 1

n

Non disgiunzione

Perdita cromosomica

Perdita cromatidica

Il risultato di alterazioni semplici alla meiosi II è la comparsa di gameti nullisomici e disomici

Se i gameti nullisomici e disomici partecipano alla fecondazione con gameti aploidi normali, ne risultano zigoti monosomici e trisomici rispettivamente

Origine di mutazioni numeriche:2 AUTOPOLIPLOIDIE A-IN MITOSI

DUPLICAZIONE(interfase)

2 n cromosomi duplicati

4 n cromatidi

BLOCCO DELLA MITOSI

4 n cromosomi duplicati

Il blocco di una mitosi di una cellula diploide da origine a cellule tetraploidi

Il blocco di k mitosi da origine a cellule con 2k+1n cromosomi

Se c’è un blocco nella prima

mitosi di uno zigote,lo zigote

e l’organismo che ne deriva

diventano tetraploidi

Origine di mutazioni numeriche:2 AUTOPOLIPLOIDIE B- MEIOSI E FECONDAZIONE

Blocco di una delle due divisioni meiotiche

ZIGOTE 3 n

Fecondazione multipla

Gamete non ridotto

MEIOSI NORMALI

Origine di mutazioni numeriche:3 ALLOPOLIPLOIDIE

Fecondazione interspecifica, fra specie diverse ma compatibili, con sviluppo dell’ibrido

MEIOSI ABORTIVE, STERILITA’

Salto di una mitosi

nella linea germinale

Zigote anfidiploide ibrido, vitale ma sterile

GAMETE ANFIDIPLOIDE

MEIOCITA ALLOTETRAPLOIDE

FECONDAZIONE fra gameti anfidiploidi

ZIGOTE ALLOTETRAPLOIDE

INDIVIDUO ALLOTETRAPLOIDE

FECONDO

Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): Mutazioni sbilanciate

(duplicazioni e delezioni in eterozigosi, trisomie e monosomie)

A B BA B B

A B A B

A B A B

A A

A B A B

A B A B

A B A B

A B A B

Un individuo eterozigote per una mutazione sbilanciata produce metà gameti normali e metà gameti sbilanciati

GAMETI NORMALI 50%

GAMETI SBILANCIATI 50%

Con duplicazione Con delezione Disomico Nullisomico

Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): autopoliploidia

Le cellule autopoliploidi in meiosi I realizzano modalità di appaiamento irregolari: si formano trivalenti, univalenti ecc. a fianco dei normali bivalenti; di conseguenza i cromosomi segregano irregolarmente e si formano sempre gameti con aneuploidie multiple: la conseguenza è la sterilità

Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): inversioni paracentriche in

eterozigosiCrossing over all’internodell’ansa fra i geni B e C

C B DA E C

B D

A E

Il frammento acentrico si perde

Il cromatidio dicentrico è instabile: forma un ponte di cromatina che si rompe e si perde

A D C B E

C D E

B E

A

B

C

D

A

A B C D E

I gameti con i prodotti del crossing over nella regione invertita (2 su 4) non sono vitali

Anafase I

Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): inversioni pericentriche in

eterozigosiCrossing over all’internodell’ansa fra i geni B e C

Anafase I

I gameti con i prodotti del crossing over nella regione invertita (2 su 4) sono sbilanciati, con delezioni e duplicazioni complementari; quindi non sono vitali o lo sono poco

A B C D E

E D C B EA D C B A

A D C B E

C B DA E C

B D

A E

Cromatidi sbilanciati

Anafase II

Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): traslocazioni reciproche in

eterozigosi

C A B

C

D

D E F

A B E F

C A B

C

D

D E F

A B E F

Anafase ISegragazione

adiacente: si formano coppie di gameti

sbilanciati con delezioni e duplicazioni

complementari

Segregazione alternata: si formano coppie di

gameti bilanciati: 2 con i cromosomi normali e

2 con i cromosomi traslocati

Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche (I divisione meiotica): fusioni centriche in eterozigosi

A B C

A B C

A B C

A B C

A B C

A B C

Segragazione con non disgiunzione

secondaria: si formano coppie di gameti sbilanciati con

nullisomie e disomie complementari

Segregazione corretta: si formano coppie di

gameti bilanciati: 2 con i cromosomi normali e

2 con il cromosoma fuso

Effetti genetici delle mutazioni cromosomiche in eterozigosi

1) INVERSIONI:

• soppressione dei prodotti del crossing over entro la regione invertita;

• riduzione della fecondità.

2) TRASLOCAZIONI, FUSIONI E FISSIONI CENTRICHE:

• pseudoassociazione fra i geni dei cromosomi coinvolti;

• riduzione della fecondità.

3) DELEZIONI, MONOSOMIE:

•soppressione del crossing over entro la regione deleta;

•pseudodominanza (la delezione di un allele dominante consente l’espressione di un allele recessivo)

Mutazioni Geniche• Mutazione genica: evento per cui un gene si trasforma da una forma

allelica ad un’altra e il nuovo allele è ereditato secondo le leggi di Mendel.• Retromutazione: mutazione da un allele anormale ad un allele standard.• Mutazione morfologica: mutazione che si esprime in un’alterazione della

forma dell’organismo.• Mutazioni letali,subletali, detrimentali: mutazioni che determinano la

morte, la bassissima sopravvivenza o il danneggiamento dell’organismo.• Mutazioni condizionali: mutazioni il cui fenotipo si manifesta solo in

particolari condizioni ambientali.• Mutazioni biochimiche: mutazioni che determinano la perdita o il

cambiamento di un passaggio biochimico.• Mutazioni nutrizionali: mutazione per cui microrganismi passano da un

genotipo standard con cui è possibile la crescita con terreno minimo (prototrofi) a un nuovo genotipo in cui è richiesta la somministrazione supplementare di specifiche sostanze (auxotrofi).

• Mutazioni per resistenza: mutazioni che determinano la capacità di resistere a sostanze tossiche o a organismi patogeni cui invece il genotipo standard è sensibile.

L’analisi dei mutanti nei batteri: il piastramento in replica

Terreno non selettivo Terreni

selettivi

Il test di fluttuazione sull’origine delle mutazioni

Numerosità iniziale in ogni provetta: 105 batteri

Numerosità finale in

ogni provetta: 1,6x106 batteri

Tasso di mutazione: 1 ogni 107

batteri per generazione

Frequenza attesa di provette in cui la mutazione è avvenuta alla 4°generazione: 8 su 100

frequenza attesa di mutanti in quelle provette alla 5° generazione: 2

Frequenza attesa di provette in cui la mutazione è avvenuta alla 2° generazione: 2 su 100

frequenza attesa di mutanti in quelle provette alla 5° generazione: 8

Si è effettivamente verificato che poche provette avevano molti mutanti (mutazioni precoci) e molte avevano pochi mutanti (mutazioni tardive)

Dunque le mutazioni preesistono al trattamento, che quindi non le induce ma le seleziona soltanto: le mutazioni non sono adattative

Test di mutagenesi: i loci specifici

AABBCCDDTrattamento mutageno

ABCD gameti normali (999)

X aabbccdd

AbCD gamete mutato (1)

abcd gameti (1000)

AaBbCcDd

AabbCcDd

Dose mutageno

% mutant i

EFFETTI BIOLOGICI DELLE MUTAZIONI: 1 mutazioni germinali

Le mutazioni che insorgono in meiosi o dopo o che vi passano senza subire variazioni, determinano nella progenie i seguenti effetti:

1) MUTAZIONI GENICHE: il loro effetto dipende dalla dominanza e dal tipo di selezione cui sono sottoposte.

2) MUTAZIONI CROMOSOMICHE SBILANCIATE (delezioni, duplicazioni, aneuploidie): sono dannose in eterozigosi e ancora più dannose in omozigosi.

3) MUTAZIONI STRUTTURALI BILANCIATE (inversioni, traslocazioni, fusioni-fissioni centriche): producono un difetto di fecondità negli eterozigoti

4) AUTOPOLIPLOIDIE: sono mal tollerate negli animali, ben tollerate nelle piante ma del tutto sterili.

5) ALLOPOLIPLOIDIE: sono ben tollerate nelle piante e del tutto feconde.

EFFETTI BIOLOGICI DELLE MUTAZIONI: 2mutazioni precoci e somatiche

Mutazioni precoci: determinano i loro effetti specifici in settori del corpo tanto più ampi quanto più precoce è la mutazione; sono una delle cause del mosaicismo.

Mutazioni somatiche: il rischio più rilevante è il cancro, che viene indotto da mutazioni che coinvolgono geni connessi al controllo della proliferazione cellulare attraverso diversi meccanismi:

• espressione di nuovi alleli dovuti a mutazione genica;

• effetto di posizione in inversioni e traslocazioni, per cui un gene modifica la sua espressione in funzione dei geni adiacenti;

• alterazione del dosaggio genico in seguito a mutazioni cromosomiche sbilanciate

• pseudodominanza, per cui si manifestano alleli recessivi in seguito alla perdita dei corrispondenti alleli dominanti in seguito a delezione o monosomia.

EFFETTI EVOLUTIVI DELLE MUTAZIONI

1) MUTAZIONI GENICHE: danno origine a nuovi alleli, sono quindi la fonte primaria della variabilità genetica; il loro effetto dipende dal tipo di selezione cui sono sottoposte.

2) DUPLICAZIONI: possono dare origine a nuovi geni, consentendo il cambiamento nel tempo e la complessificazione delle specie.

3) INVERSIONI, TRASLOCAZIONI, FUSIONI-FISSIONI: la riduzione di fecondità degli eterozigoti favorisce l’isolamento riproduttivo e la nascita di nuove specie.

4) ALLOPOLIPLOIDIA:

•può dare origine a molti nuovi geni, avendo un intero genoma “in eccesso”;

•gli allopoliploidi costituiscono nuove specie, dato che gli ibridi fra l’allopoliploide e le specie da cui origina è del tutto sterile;