SIAMO TUTTI DIVERSIOgni individuo della specie umana (esclusi i gemelli monozigoti) nasce e rimane geneticamente diverso dagli altri

le sue risposte AGENTI FISICI

AGENTI CHIMICI

AGENTI BIOLOGICI(farmaci inclusi)possono essere

diverse

cariotipo ottenuto da linfocita umano

eterogeneità genetica

nell’uomo è diploide

L’insieme dei cromosomi di una cellula somatica e delle cellule germinali immature è detto corredo cromosomico

la diploidicità è unacondizione necessariaper poter realizzarealcuni dei meccanismiresponsabili dellaeterogeineità umana

la diploidicità è ancheuna forma di difesacontro mutazioni chealterano la funzionedella proteina espressa

L’insieme delle caratteristiche morfologichedi un particolare corredo cromosomico

I geni sono predisposti in ordine prestabilito e rigoroso neiCROMOSOMI OMOLOGHI

locus locus

Omozigote per un certo carattere, l’individuo che porta nei propri cromosomi omologhi due copie identiche del gene che codifica per quel carattere.

particolarecarattere

particolarecarattere

Eterozigote per un certo carattere, l’individuo che porta nei propri cromosomi omologhi due copie diverse (alleli) del gene che codifica per quel carattere.

Un gene può avere più di due copie diverse (serie allelica).

L’esistenza di molti alleli per un solo geneè la base della individualità degli esseri viventi.

La presenza di alleli diversi di uno stesso geneè detta anche polimorfismo.

CAUSE DELL’ETEROGENEITÀ GENETICA

MEIOSI

POLIMORFISMO GENETICOMUTAZIONI

DOMINANZARECESSIVITÀ CODOMINANZA

Nature 409: 822-823 (2001).

crossing-over

EVENTI PRINCIPALI NELLA MEIOSI

Il corredo cromosomico aploide di ogni gamete è diverso da quello di ogni altrogamete prodotto dallo stesso individuo perché durante la meiosi si ha

distribuzione casuale dei cromosomi omologhi e crossing-over

2n

materno

paterno

REPLICAZIONE DEL DNA

ricombinazione geneticacrossing-over

4n

I DIVISIONE CELLULARE

II DIVISIONE CELLULARE (senza replicazione)

2n

1n

(cellula premeiotica)

distribuzione casualedei cromosomi omologhi

il luogo dove avviene lo

scambio di pezzi dicromosomi omologhi

è il chiasma la possibilità di ricombinazione fra due geniè inversamente proporzionale alla loro

distanza relativa (la presenza del chiasmaimpedisce il verificarsi di un altro crossing

over nelle sue vicinanze, interferenza)

meccanismo di crossing-over

appaiamento dei cromosomi omologhi(ogni coppia è unita a livello di centromeri)

nuove combinazioni di geni

abcde

(si sviluppa a caso da uno dei 4 prodotti meiotici)

DIFFERENZE NELLA MEIOSI

44

1 3

Nella specie umana, la meiosi nella femminanon è completata fini dopo la fecondazione

POLIMORFISMOQuando in una popolazione esistono 2 o più alleli

sebbene rari sono presenti nella popolazionecon frequenza anche bassa ma significativa

polimorfismo genetico

Quando l’allele più comune in tutta la popolazione rappresenta:• meno del 98%

• più del 98%

polimorfismo in un dato locus

la presenza dell’allele meno ricorrente è dovuta a mutazione

QUASI TUTTI, SE NON TUTTI I GENI, SONO POLIMORFICI

Dati biochimici ottenuti osservando la mobilità elettroforetica di circa 70 enzimi

circa il 28% dei geni umani è polimorficoun individuo è eterozigote nel 7% dei suoi loci

tuttavia

20%

perché mediante elettroforesi si possono valutare solo le sostituzioniche portano a variazione di carica

L’analisi del DNA permette di valutare anche gli alleli che pur avendo tra loro una sequenza nucleotidica diversa

a causa della degenerazione del codice genetico

codificano la stessa sequenza aa (la proteina ha la stessa mobilità elettroforetica)

altri alleli

proteina modificata di 1 o 2 aa simili(non modificano né carica né funzione)

sostituzione conservativa (es. Asp con Glu)

Solo se la sostituzione pur alterando la carica della proteina non ne altera l’attività

si possono separare le isoforme proteiche se ne può valutare la presenza

Il polimorfismo è rivelato con l’elettroforesi

A AGENE

piccole variazionidi sequenza aa

normaleattività biologica

MA

valori > o < di proprietà che contribuiscono all’attività biologica e/oproprietà accessorie nuove, minori (che modificano poco la funzione della proteina):• stabilità (vita della proteina nella cellula);• valore di Vmax per gli enzimi;• grado di sensibilità agli effettori;• grado di sensibilità a composti esogeni, farmaci inclusi.

GENE

si manifestano quando un individuocambia alimentazione

si sposta da un ambiente ad un altroè costretto a fare uso di farmaci

Il subdolo di queste proprietà è imputato al fatto chele proteine prodotte da alleli diversi dello stesso gene

avrebbero valori diversi di sensibilità allo stesso fattore ambientale(es. affinità per una molecola esogena inibitrice)

Eterogeneità genetica e sensibilità a molecole esogeneindividuo A individuo B

gene Z gene Zgene W gene W

omozigoteper l’allele 1

omozigoteper l’allele 1

omozigoteper l’allele 1

omozigoteper l’allele 2

enzima enzima enzimaenzima

Z1

insensibilealla molecolaesogena(es. farmaco)

W1W1

Z2

sitoresponsabiledellaproprietàminore

W1

enzimainibito

(effetto collaterale)

Z2

enzimainibito

(effetto voluto)

W1

enzimainibito

(effetto collaterale)

DOMINANZA, RECESSIVITÀ, CODOMINANZA

DOMINANTE alleli che manifestano completamente il loro fenotipo (trait,caratteristica genetica) anche in condizioni di eterozigosi(cioè in presenza di un diverso allele omologo)

RECESSIVO è riferito all’allele che si manifesta solo in condizioni diomozigosi (alleli identici nello stesso locus)

CODOMINANTEè la condizione di eterozigosi in cui si possono osservare lecaratteristiche di ambedue gli alleli. Es. gruppo sanguigno AB:

codominanzadegli alleli A e B

0 0

AB AB

CONSIDERAZIONI SULLA ETEROGENEITÀ GENETICA

le permette di rispondereai cambiamenti rapidi dell’ambiente che

selezionano positivamente alcuni individui

L’eterogeneità genetica degli individui è importante per la sopravvivenza di una specie

conoscenza dell’eterogeneità genetica degli individui di una stessa specie

comprensione

naturaleo

sintetica AMBIENTE

inalata

assunta con gli alimenti

somministrata come farmaco

possa provocare influenze di tipo ed entità diverse in individui diversi

Per mostrare a livello molecolare come individui diversi rispondonoin maniera diversa all’azione della stessa molecola,

si può fare l’ipotesi che la molecola sia un farmaco

alcuni individui rispondono positivamente

altri non subiscono alcuna influenza positiva

alcuni non subiscono effetti negativi

alcuni subiscono anche effetti negativi

alcuni non subiscono effetti negativi

alcuni subiscono anche effetti negativi

Se due soggetti possiedono alleli diversicodificanti la stessa proteina enzimatica la cui

attività deve essere attivata per favorire l’effetto

FARMACOPer poter agire deve associarsi con un certo grado di specificitàad un componente cellulare

+-

catena diaminoacidi

modificare lafisiologia cellulare

legami deboli con residui aa

stessa attività catalitica e di regolazione

diversoresiduoche nonAltera le

caratteristichefunzionali

associa il farmaco non associa il farmaco o c’è < affinità

Si spiega così anche l’effetto collaterale dei farmaci

I farmaci con minor effetti collaterali sono quelli cheinteragiscono con le proteine nel sito di legame

di un suo ligando naturale(es. sito di legame del substrato e siti di regolazione da effettore)

QUALCHE TIPO DI POLIMORFISMO

Alleli

RFLP- restriction fragment length p…

In tutti gli organismi vi sono variazioni naturali nella sequenza del DNAdistribuite in tutto il genoma

Poiché gran parte del genoma umanonon codifica proteine

(DNA in eccesso),è tollerato che nell’uomo vi siaun grande numero di variazioni

nella sequenza

Esoni (geni = circa 1000 copie di basi)

Introni

Pseudogeni (copie multiple non funzionanti)

Famiglie di sequenze di basi altamente ripetitive(microsatelliti usate come fingerprint 25-35%)

non più del 5% del DNA è trascritto; il 95% è silente(secondo alcuni una parte di questo è junk DNA)nell’uomo ci sono

differenze individualidi sequenza

ogni 200 nucleotidi

SNP- single nucleotide p…

Tandem repeat p…

polimorfismi che alterano la lunghezza dei frammenti di restrizione

Risultano da:• cambiamenti (e.g. SNPs) che introducono o alterano un sito di restrizione• differenze nel numero di copie di un Tandem Repeats (TRPs)

POLIMORFISMO DELLALUNGHEZZA DEI FRAMMENTI DI RESTRIZIONE (RFLP)

situazione dei cromosomi bande dopo laibridazione

la mutazione nelsito a2 impedisceil taglio

endonucleasi di restrizione A

endonucleasi di restrizione B

sonda che riconosceuna singola regionedel genoma

MW

EnzimaA

EnzimaB

a2 a3

a3a1

b1b2

b2b1

a1

L’elettroforesi separa il DNA in base alle dimensioni

DNA migra verso il polo positivoLe molecole piu’ grandi si muovono piu’

lentamente

ALLELI

mutazioneGACCTG

GACGTC

Allele 2

Allele 1

Allele 1 Allele 2CTG

GAC

GAC

GTC

(alleli 1 e 2)allele 2

allele 1

Nell’uomo i polimorfismi sono spesso associati conalterazioni di una singola base

COME COMPAIONO I POLIMORFISMI?Un numero finito di MUTAZIONI avviene spontaneamente nella sequenza del DNA

altre avvengono nellasequenza codificante

normalmentenon hanno effettosulla funzionalità

alcune si verificano nelle

sequenze non codificanti

sequenze proteichealterate

alterazione della strutturadiminuzione dell’espressioneperdita dell’espressione

Poiché un’alterazione nella sequenza del DNAcolpisce tutte le copie della proteina codificata,

le mutazioni possono essere particolarmente dannose

gene

proteina

DNA

cromosomi

Al contrario, ogni alterazione nella sequenza dell’RNAo di proteine che avviene durante la loro sintesi

è meno graveperché di queste molecole ne vengono sintetizzate molte copie

TIPI DI MUTAZIONI

GENOTIPO

FENOTIPO

è l’insieme dei geni di un individuo

funzioni e l’aspetto fisico dell’individuo

denota se un individuoè portatore di una mutazione

definisce le conseguenzefisiche e funzionali del genotipo

MUTAZIONERECESSIVA

quando entrambi gli alleli devono essere mutatiper poter osservare il fenotipo mutante;l’individuo deve essere omozigote per l’allele mutante

MUTAZIONEDOMINANTE

le conseguenze fenotipiche di una mutazionesi possono osservare anche in un eterozigote

inattivano il gene colpito e portano aperdita di funzione

possono rimuoverein parte o completamente

un gene dal cromosoma

possono alterarela struttura dellaproteina codificatae quindi la funzione

possono distruggerel’espressione della proteina

portano a guadagno di funzione

MUTAZIONI PUNTIFORMI E PICCOLE DELEZIONI

Sequenze normali

amminoacidi

Mutazioni di senso (missense)

Mutazioni non senso (nonsense)

mRNA

DNA

N-Phe Arg Trp Ile Ala Asn-C

5’-UUU CGA UGG AUA GCC AAU-3’

3’-AAA5’-TTT

GCTCGA

ACCTGG

TATATA

CGGGCC

TTA-5’AAT-3’

amminoacidi

DNA

N-Leu Arg Trp Ile Ala Asn-C

3’-AAT5’-TTA

GCTCGA

ACCTGG

TATATA

CGGGCC

TTA-5’AAT-3’

amminoacidi

DNA

N-Phe Arg

3’-AAA5’-TTT

GCTCGA

ATCTAG

TATATA

CGGGCC

TTA-5’AAT-3’

Stop

Slittamento per inserzione (frameshift)

amminoacidi

DNA

N-Phe Arg

3’-AAA5’-TTT

GCTCGA

ACCTGG

ATATAT

TCGAGC

GTT-5’CAA-3’

Slittamento per delezione (frameshift)

amminoacidi

DNA

N-Phe Gly

3’-AAA5’-TTT

CCTGGA

ATCTAG

GGTCCA

TA-5’AT-3’

Trp Tyr Ser Gln

Stop

GCTACGAT

ABERRAZIONI CROMOSOMICHE

Inversione

Delezione

Traslocazione bilanciata

Inserzione

A B C D E A B D C E

A B C D E A B E

I

I

A B C D E

W X Y Z

I

II

A B C Z

W X Y D E

A B C D E

W X Y Z

I

II

A B C X

W Y Z

D E

AGENTI MUTAGENILe mutazioni possono essere causate anche dall’ esposizione

dell’organismo ad alcuni FATTORI AMBIENTALI

MUTAGENI CHIMICIanaloghi delle basi nucleotidiche (es. 5-bromouracile)

reattivi degli acidi nucleici(es. nitrito di sodio, usato come antiossidante negli alimenti)

agenti intercalanti le basi del DNA (es. acridine, usate come coloranti)

MUTAGENI FISICI radiazionielettromagnetiche

RADIAZIONIRADIAZIONIIONIZZANTIIONIZZANTI

F(Hz) lunghezzad’onda

ULTRAVIOLETTO lampade germicideVISIBILE luce laser-fibre ottiche

INFRAROSSO

calore

MICROONDE

ONDERADIO

ONDEHERZIANE

CORRENTI telefoniaALTERNATE linee di rete

Trasmissioniintercontinentali

radarradarterapia

TV telefonia cellulareMF ponti radio

marconiterapia

radioterapiaradiografia

XX

50 6*10^Km

3K 100Km

30K 10Km

300M 1m

300G 1mm

3*10^5G 10^-3mm

12/h=3*10^6G

3*10^7G

mutazioni puntiformi

dimeri ditimina

aberrazionicromosomiche

ANEMIA FALCIFORME