Mutazioni somatiche e germinali

1
Mutazioni somatiche e germinali
Mutazione somatica
Mutazione germinale
Tempo
Mutazione precoce
Mutazione tardiva
2
TASSO DI MUTAZIONE E FREQUENZA DI MUTAZIONE
Il tasso di mutazione misura la frequenza con cui
una mutazione si origina ex novo in ununità di
tempo biologico (di solito una generazione)
La frequenza di mutazione misura la frequenza
della mutazione in una popolazione nel momento
dellosservazione
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
3
Lanalisi dei mutanti nei batteri il
piastramento in replica
Terreno non selettivo
Terreni selettivi
4
Il test di fluttuazione sullorigine delle
mutazioni
Numerosità iniziale in ogni provetta 105
batteri
Tasso di mutazione 1 ogni 107 batteri per
generazione
Frequenza attesa di provette in cui la mutazione
è avvenuta alla 4generazione 8 su 100
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 2
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
Numerosità finale in ogni provetta 1,6x106
batteri
5
Danno al DNA e sua riparazione origine delle
mutazioni
Mutazioni spontanee p. es. tautomeria
Mutazione genica transizione AT gt GC
Mutazioni indotte p. es. da UV
Dimero di Timina
DNA mutato
UV
Riparazione SOS soggetta a errore
TT
TT
Escissione di nucleotidi
AA
AA
Luce solare
Mutazione genica
Fotoriattivazione riparazione corretta
Riparazione per escissione corretta
Mutazione cromosomica strutturale
TT
TT
Escissione di basi
AA
AA
Cromosomi diversi
Raggi X
Cromatidi fratelli
Riparazione per ricombinazione non omologa
soggetta ad errore
Mutazioni indotte p. es. da raggi X
Riparazione per ricombinazione omologa corretta
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Mutazioni Geniche e fenotipi

• Mutazione genica evento per cui un gene si
  trasforma da una forma allelica ad unaltra 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 unalterazione della forma dellorganismo.
• Mutazioni letali,subletali, detrimentali
  mutazioni che determinano la morte, la bassissima
  sopravvivenza o il danneggiamento dellorganismo.
• 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.

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Mutazioni Geniche e effetti molecolari

• Mutazioni per sostituzione di base
• Sinonima la tripletta mutata viene trascritta in
  un codone che codifica lo stesso aminoacido
• Non sinonima la tripletta mutata viene
  trascritta in un codone che codifica un altro
  aminoacido.
• Senza senso la tripletta mutata viene trascritta
  in un codone di terminazione (vedere 3 credito).
• Tutte le mutazioni geniche
• Con perdita di funzione lallele che ne deriva è
  un allele recessivo il cui prodotto ha perso la
  propria attività biologica (knock out).
• Con acquisto di funzione lallele che ne deriva
  è un allele dominante il cui prodotto ha
  modificato la propria attività biologica,
  rendendola incondizionata.
• Silente lallele che ne deriva non modifica
  lattività biologica del proprio prodotto.

8
Mutazioni cromosomiche strutturali
Anello
Duplicazione
Inversione pericentrica
Inversione paracentrica
Delezione interstiziale
Delezione terminale
Fissione centrica
Traslocazione reciproca


Fusione centrica
Dicentrico
9
Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali
1 una rottura
A B C
DELEZIONE TERMINALE (instabile)
A B
SI PERDE IL FRAMMENTO ACENTRICO
C
ROTTURA
A B
A B
SI POSSONO SALDARE LE ESTREMITA DI ROTTURA, DOPO
LA REPLICAZIONE DEL CROMOSOMA
I 2 CROMATIDI FRATELLI, SALDATI RECIPROCAMENTE,
NON SI POSSONO SEPARARE IN ANAFASE
A B
B A
OPPURE SI ROMPONO.
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Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali
2 crossing over ineguale
A B C
A B B C
AC
A B C
A A B
B C C
DELEZIONE INTERSTIZIALE (stabile)
APPAIAMENTO IRREGOLARE
complementari
CROSSING OVER INEGUALE
DUPLICAZIONE IN TANDEM (stabile)
A B B C
A B B C
A B C
A B C
A B C
A B B B C
CROMOSOMA NORMALE
B
B
APPAIAMENTO IRREGOLARE
Su unaltra scala (di- trinucleotidi) questo
meccanismo può spiegare lespansione dei
microsatelliti, alla base di gravi patologie umane
TRIPLICAZIONE IN TANDEM (stabile)
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Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali
3 due rotture su due bracci diversi dello stesso
cromosoma
F B E A C D

A B C D E F
F E A
F B E
A C D
SI PERDE IL FRAMMENTO ACENTRICO
ANELLO (instabile)
2 rotture
A D C B E F
F B E A C
D
INVERSIONE PERICENTRICA (stabile)
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Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali
4due rotture sullo stesso braccio dello stesso
cromosoma
A B C D E F
SI PERDE IL FRAMMENTO ACENTRICO
DELEZIONE INTERSTIZIALE (stabile)
INVERSIONE PARACENTRICA (stabile)
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Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali
5due rotture su due cromosomi diversi
2 rotture
Cromosoma Dicentrico (instabile)
SI PERDE IL FRAMMENTO ACENTRICO
TRASLOCAZIONE RECIPROCA STABILE
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Origine delle mutazioni cromosomiche strutturali
6riordinamenti al livello del centromero
A B
C D E F
FUSIONE CENTRICA STABILE
2 rotture
SI PUO PERDERE IL CROMOSOMA PUNTIFORME
?
FISSIONE CENTRICA STABILE
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Mutazioni numeriche aneuploidi
Gamete (spora) aploide (n)
Cellula diploide (2n)
Gamete (spora) disomico (n1)
Cellula nullisomica (2n-2)
Cellula trisomica (2n1)
Cellula con aneuploidia multipla
Cellula monosomica (2n-1)
Gamete (spora) nullisomico (n-1)
Cellula tetrasomica (2n2)
Gamete (spora) trisomico (n2)
Gamete (spora) con aneuploidia multipla
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Origine di mutazioni numeriche 1 non
disgiunzione, monosomie e trisomie
Mitosi
Meiosi I
Meiosi II
Non disgiunzione
Non disgiunzione
Non disgiunzione
Il risultato di una non-disgiunzione alla mitosi
è la comparsa di cellule monosomiche e trisomiche
Il risultato di una non-disgiunzione alla meiosi
I è la comparsa di paia di gameti nullisomici e
disomici
Il risultato di una non-disgiunzionemplici 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
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NON DISGIUNZIONE E ANEUPLOIDIE DEI CROMOSOMI
SESSUALI
P
F1
Xw Xw Xw Y
Progenie eccezionale (1/2000)

Progenie normale
Gameti Xw Y
Xw Xw XwXwXw LETALE XwXwY
0 Xw sterile Y LETALE
aneuploidia
drosofila
uomo
In drosofila il sesso è determinato dal rapporto
numerico fra autosomi e cromosomi X
Nelluomo il sesso è determinato dalla
presenza/assenza del cromosoma Y
Non disgiunzione in un oocita
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Mutazioni numeriche euploidi
Cellula diploide (2n)
Gamete (spora) aploide (n)
Cellula autotetraploide (4n)
Gamete (spora) diploide (2n)
Gamete (spora) anfidiploide (nn)
Cellula triploide (3n)
Cellula monoploide (n)
Cellula allotetraploide (2n2n)
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Origine di mutazioni numeriche2 AUTOPOLIPLOIDIE
A-IN MITOSI
Il blocco di una mitosi di una cellula diploide
da origine a cellule tetraploidi Il blocco di k
mitosi da origine a cellule con 2k1n cromosomi
Se cè un blocco nella prima mitosi di uno
zigote,lo zigote e lorganismo che ne deriva
diventano tetraploidi
4 n cromosomi duplicati
DUPLICAZIONE (interfase)
2 n cromosomi duplicati
BLOCCO DELLA MITOSI
4 n cromatidi
20
Origine di mutazioni numeriche2 AUTOPOLIPLOIDIE
B- MEIOSI E FECONDAZIONE
Blocco di una delle due divisioni meiotiche
Fecondazione multipla
Gamete non ridotto
ZIGOTE 3 n
21
ALLOPOLIPLOIDIA gli ibridi anfidiploidi
MEIOSI ABORTIVE, STERILITA
Fecondazione interspecifica, fra specie diverse
ma compatibili, con sviluppo dellibrido
I cromosomi non sono a 2 a 2 omologhi in 1
divisione meiotica non riescono ad appaiarsi e
segregano casualmente
Zigote anfidiploide ibrido, vitale
Successive divisioni mitotiche, differenziamento
Di conseguenza i gameti sono sbilanciati
geneticamente, quindi sterili
inividuo anfidiploide ibrido, vitale ma sterile
22
ALLOPOLIPLOIDIA origine di individui
allopoliploidi
Cellula anfidiploide
INDIVIDUO ALLOTETRAPLOIDE FECONDO
ZIGOTE ALLOTETRAPLOIDE
Fecondazione fra gameti anfidiploidi
Salto di una mitosi nella linea germinale
GAMETE ANFIDIPLOIDE
1 DIVISIONE MEIOTICA NORMALE
Meiocita allotetraploide
23
Comportamento in meiosi delle mutazioni
cromosomiche (I divisione meiotica)
Mutazioni sbilanciate(duplicazioni e delezioni
in eterozigosi, trisomie e monosomie)
Eterozigote per una duplicazione
Eterozigote per una delezione
Trisomico
Monosomico
GAMETI NORMALI 50
GAMETI SBILANCIATI 50
Nullisomico
Con duplicazione
Con delezione
Disomico

• ALTRI EFFETTI GENETICI
• soppressione del crossing over entro la regione
  deleta
• pseudodominanza (la delezione di un allele
  dominante consente lespressione di un allele
  recessivo)

Un individuo eterozigote per una mutazione
sbilanciata produce metà gameti normali e metà
gameti sbilanciati
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Comportamento in meiosi delle mutazioni
cromosomiche (I divisione meiotica)
inversioni paracentriche in eterozigosi

• EFFETTI GENETICI
• soppressione dei prodotti del crossing over
  entro la regione invertita
• riduzione della fecondità.

I gameti con i prodotti del crossing over nella
regione invertita (2 su 4) non sono vitali
Il cromatidio dicentrico è instabile forma un
ponte di cromatina che si rompe e si perde
Il frammento acentrico si perde
25
Comportamento in meiosi delle mutazioni
cromosomiche (I divisione meiotica)
inversioni pericentriche in eterozigosi

• EFFETTI GENETICI
• soppressione dei prodotti del crossing over
  entro la regione invertita
• riduzione della fecondità.

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
26
Comportamento in meiosi delle mutazioni
cromosomiche (I divisione meiotica)
traslocazioni reciproche in eterozigosi
Segragazione adiacente si formano coppie di
gameti sbilanciati con delezioni e duplicazioni
complementari

• EFFETTI GENETICI
• pseudoassociazione fra i geni dei cromosomi
  coinvolti
• riduzione della fecondità.

Segregazione alternata si formano coppie di
gameti bilanciati 2 con i cromosomi normali e 2
con i cromosomi traslocati
27
Comportamento in meiosi delle mutazioni
cromosomiche (I divisione meiotica) fusioni
centriche in eterozigosi
Segragazione con non disgiunzione secondaria si
formano coppie di gameti sbilanciati con
nullisomie e disomie complementari

• EFFETTI GENETICI
• pseudoassociazione fra i geni dei cromosomi
  coinvolti
• riduzione della fecondità.

Segregazione corretta si formano coppie di
gameti bilanciati 2 con i cromosomi normali e 2
con il cromosoma fuso
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La trasposizione
La trasposizione consiste nello spostamento di
segmenti cromosomici da un sito cromosomico
allaltro, grazie a particolari sequenze
fiancheggiatrici e a enzimi (tra cui le
trasposasi), i cui geni sono spesso inserite
allinterno degli elementi trasponibili.
Sequenze specifiche
Geni per la trasposizione
La trasposizione ha talvolta effetti mutageni
specifici il sistema degli elementi trasponibili
Ac e Ds nel mais producono la rottura dei
cromosomi nel sito di provenienza di Ds e
linattivazione del gane Wx, in cui si inserisce
Ds, inducendone la mutazione.
Elemento trasponibile Ds
29
La retro-trasposizione
trascrizione
cromosoma
RNA
retrotrascrizione
La retro-trasposizione consiste nella
trascrizione come RNA di segmenti cromosomici,
che vengono retro-trascritti come DNA che si
inserisce in altri siti cromosomici.
DNA
Sequenze specifiche
Geni per la trasposizione
La retro-trasposizione è il meccanismo che
consente lallungamento delle sequenze
telomeriche in Drosophila
sequenza trasponibile telomerica
30
Test di mutagenesi i loci specifici
Trattamento mutageno
aabbccdd
AABBCCDD
X
ABCD gameti normali (999)
abcd gameti (1000)
AaBbCcDd
AbCD gamete mutato (1)
mutant i
AabbCcDd
Dose mutageno
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Test di mutagenesi ClB
P
Trattamento con agente mutageno
F1
Raramente
F2
32
EFFETTI BIOLOGICI DELLE MUTAZIONI 1 mutazioni
germinali, precoci e somatiche
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 loro specifico effetto
biologico.
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.
5) ALLOPOLIPLOIDIE sono ben tollerate nelle
piante e del tutto feconde.
Le mutazioni che insorgono nello zigote, durante
la segmentazione o nelle prime fasi
dellembriogenesi, eventualmente prima della
distinzione fra cellule somatiche e germinali
sono le MUTAZIONI PRECOCI, che determinano il
loro effetto in settori del corpo tanto più ampi
quanto più precoce è la mutazione sono una delle
cause del MOSAICISMO (presenza di cellule con due
o più genotipi diversi in un individuo).
Le mutazioni che insorgono nelle cellule
somatiche sono le MUTAZIONI SOMATICHE, che
determinano il loro effetto in settori limitati
delle cellule somatiche.
33
EFFETTI BIOLOGICI DELLE MUTAZIONI 2mutazioni
somatiche e cancro
Cellule normali
Cancro
Displasia
mutageni
Mutazioni somatiche
Il cancro viene indotto da una successione di
mutazioni somatiche che coinvolgono geni connessi
al controllo della proliferazione cellulare e che
conferiscono ai cloni cellulari mutati una
proliferazine incontrollata.
Metatstasi
La predisposizione genetica al cancro consiste in
genotipi che derivano dalla trasmissione
ereditaria via linea germinale di assetti
genetici (alleli, cromosomi mutati etc) e che
facilitano linsorgenza di tumori
p. es. genotipi difettivi per la riparazione del
DNA danneggiato, come lomozigosi per gli alleli
recessivi di Xeroderma pigmentosum, difettiva per
la riparazione da escissione (diapositiva 5),
aumentano il tasso delle mutazioni somatiche.
p. es. genotipi potenzialmente difettivi per il
controllo del ciclo cellulare, come leterozigosi
per gli alleli recessivi di RB1, che in omozigosi
non controllano pù il passaggio da G1 a S,
consentendo una proliferazione indiscriminata.
34
Mutazioni e cancro
Le mutazioni somatiche che portano al cancro
riguardano in particolare a) geni che tutelano
la stabilità del ganoma protezione- riparazione
del DNA (p. es. Xp) b) geni oncosoppressori
che controllano la progressione nel ciclo
cellulare (p. es RB1) c) protooncogeni, che
inducono la proliferazione cellulare in seguito a
stimoli specifici (p. es. ABL).
S
G1
Go
Controllo
Induzione
pRB1
pABL

• I meccanismi principali per cui le mutazioni
  somatiche innescano la trasformazione tumorale
  sono
• 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 delle regioni
  cromosomiche adiacenti o addirittura si formano
  geni ibridi
• alterazione del dosaggio genico in seguito a
  mutazioni cromosomiche sbilanciate o ad
  amplificazione
• pseudodominanza o perdita di eterozigosità per
  cui si manifestano alleli recessivi in seguito
  alla perdita dei corrispondenti alleli dominanti
  in seguito a delezione, monosomia o ulteriori
  mutazioni alleliche verso lallele recessivo.

Cromosoma Philadelphia
RB1-
RB1-
RB1
BCR
BCR-ABL
ABL
Cromosoma 13
Delezione - pseudodominanza
Cromosoma 22
Traslocazione gene ibrido
Cromosoma 9