LEZIONE IV MUTAZIONI GENETICHE. Dott. Paolo Cascio

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Jacopo Ferretti
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1 LEZIONE IV MUTAZIONI GENETICHE Dott. Paolo Cascio

2 MUTAZIONI PER MUTAZIONE SI INTENDE LA MODIFICAZIONE DELLA SEQUENZA CODIFICANTE DI UN GENE. Mutazione recessiva: entrambi gli alleli devono essere mutati affinché si osservi un fenotipo mutante. Mutazione dominante: è sufficiente che sia mutato un solo allele affinché si osservi un fenotipo mutante. Organismi che presentano la mutazione: Mutanti Organismi normali non mutanti: Wild Type (WT)

3 TIPI DI MUTAZIONI: 1) Mutazioni di una singola coppia di basi (mutazione puntiforme) di solito colpiscono la funzionalità di un solo gene. Meccanismi: SOSTITUZIONI QUANDO UNA BASE VIENE SOSTITUITA DA UN ALTRA INSERZIONI DELEZIONI AGGIUNTA DI UNA O PIU BASI RIMOZIONE DI UNA O PIU BASI Conseguenze: MUTAZIONE MISSENSE: A SEGUITO DI UNA SOSTITUZIONE VIENE INSERITO UN AMINOACIDO DIFFERENTE. A VOLTE LA FUNZIONE DELLA PROTEINA NON VIENE PERO COMPROMESSA. MUTAZIONE NONSENSE: MUTAZIONE PUNTIFORME CHE CONVERTE UN CODONE QUALSIASI IN UN CODONE DI STOP E QUINDI SI PRODUCE L INTERRUZIONE PREMATURA DELLA CATENA POLIPEPTIDICA.

4 MUTAZIONE CON SLITTAMENTO DEL MODULO DI LETTURA (READING FRAME): MUTAZIONE PER INSERZIONE O DELEZIONE DI 1 O 2 (O 4-5) COPIE DI BASI CHE PROVOCA UNA TOTALE SFASATURA DEL MODULO DI LETTURA DEL GENE A PARTIRE DAL PUNTO DOVE E AVVENUTA LA MUTAZIONE. TIPI DI MUTAZIONI: 2) Alterazioni di grandi dimensioni della struttura dei cromosomi con conseguenti ripercussioni sulla funzionalità di molti geni (mutazioni cromsomiche). Meccanismi: Delezione o inserzione di parecchi geni contigui; Inversione dei geni di un cromosoma; Scambio di grosse porzioni di DNA tra cromosomi non omologhi. Conseguenze: Alterazioni fenotipiche molto gravi.

5 Cause delle mutazioni: 1) Insorgenza spontanea Instabilità chimica delle basi. Errori durante la replicazione del DNA. 2) Esposizione ad agenti chimici o fisici: UV RADIAZIONI IONIZZANTI (raggi X e particelle atomiche) ACIDI REAGENTI OSSIDANTI SOSTANZE CHIMICHE VARIE (Cancerogeni chimici).

6 Molte gravi malattie sono causate da mutazioni di un singolo gene. ANEMIA FALCIFORME: gravissima malattia genetica causata da una mutazione puntiforme nel gene per la catena β dell emoglobina. Emoglobina: Proteina che trasporta l ossigeno nel sangue; Localizzata negli eritrociti; Tetramero formato da 2 catene α (141 a.a.) e 2 catene β (146 a.a.); Ciascuna catena contiene al centro un gruppo prostetico eme che lega l O 2 Mutazione nell anemia falciforme: L acido glutammico (polare, idrofilico) in posizione 6 nella catena β viene sostituito da una valina (apolare, idrofobica). Conseguenze: In condizioni di bassa tensione di O 2 l emoglobina cristallizza e precipita; Gli eritrociti vengono deformati e assumono una forma a falce; Questi eritrociti non scorrono bene nei capillari: si creano aree ischemiche (non irrorate), danno tissutale e dolore;

7 Questa deformazione inizialmente è reversibile se aumenta la tensione dell O 2 ; Dopo alcune volte, però, la deformazione diviene irreversibile; Gli eritrociti vengono catturati dalla milza e distrutti: insorge l ANEMIA. Soggetti omozigoti: Posseggono solo l emoglobina mutata (S = sickle, falce). Generalmente muoiono prima dei 25 anni di età. Soggetti eterozigoti: Posseggono il 50% di emoglobina S e il 50% di emoglobina normale. Hanno solo crisi sporadiche in presenza di basse tenioni di O 2. Tali soggetti, però, sono più resistenti alla malaria. Questa resistenza probabilmente spiega perché nelle zone malariche (es. Africa equatoriale) il 40% della popolazione presenta il gene mutato. RETINOBLASTOMA EREDITARIO: Causato dalla perdita della funzione del gene RB (antioncogene); I pazienti affetti dalla malattia ereditano un gene sano (RB + ) e uno mutato (RB - ); Insorgenza della malattia precoce e bilaterale; L allele mutante RB - è recessivo, quindi affinché si sviluppi la malattia il genotipo deve essere RB - RB - ; Deve quindi esserci una mutazione anche dell allele RB+ oppure, più facilmente, una ricombinazione mitotica tra il cromosoma con l allele RB+ e quello con l allele RB-.

8 Tutti gli agenti chimici o fisici che causano il cancro (agenti cancerogeni) agiscono perché sono mutageni (inducono cambiamenti nella sequenza di DNA). Ad esempio si è osservato un aumento di cancro (soprattutto leucemie) nei sopravvissuti alle esplosioni atomiche o l aumento di cancro della pelle (melanoma) nei soggetti esposti a troppa luce solare. In aggiunta alla funzione già descritta di correzione di bozze della DNA polimerasi, le cellule hanno sviluppato altri meccanismi di riparazione del DNA danneggiato. Tali meccanismi possono essere classificati in due ampie categorie: Riparazione degli accoppiamenti errati che utilizza il filamento parenterale come stampo; Riparazione a seguito di escissione di una regione danneggiata. 1) Riparazione degli accoppiamenti errati che utilizza il filamento parenterale come stampo. E un meccanismo che agisce immediatamente dopo la sintesi del DNA e che permette di correggere mutazioni puntiformi causate dall inserzione di una base errata. Il problema concettuale alla base della riparazione degli accoppiamenti errati è lo stabilire quale dei due filamenti sia quello corretto e quale il mutante.

9 In E. Coli tale riconoscimento è reso possibile dalla presenza delle sequenze GATC la cui adenina è metilata in 6 solo nel filamento parenterale: CH 3 5 G A T C 3 Filamento parenterale 3 C T A G 5 Filamento neosintetizzato Le sequenze GATC del filamento neosintetizzato vengono metilate da un enzima specifico detto Dam metiltransferasi dopo alcuni minuti dalla loro sintesi. In questo intervallo di tempo il nuovo filamento può essere riconosciuto e se necessario corretto. La correzione richiede l intervento di 3 diverse proteine: MutH lega specificatamente la sequenza GATC metilata e quindi riconosce il filamento parenterale (corretto); MutS si lega al tratto di DNA dove è presente l appaiamento anomalo (mismatch); MutL connette MutH con MutS e attiva MutH che taglia in maniera specifica il filamento neosintetizzato (grazie ad un attività endonucleasica) permettendone la rimozione e di conseguenza la sostituzione con un filamento corretto.

10 MISMATCH CH 3 A G CH 3 A G MutH MutS

11 CH 3 A G MutH MutS MutL CH 3 A G MutH MutS MutL

12 CH 3 A G Elicasi Esonucleasi CH 3 A

13 DNA polimerasi I DNA ligasi CH 3 A T 2) Riparazione a seguito di escissione di una regione danneggiata. E un meccanismo utilizzato dalle cellule per riparare regioni di DNA che contengono basi chimicamente modificate (es. Dimeri di Timina o Basi Deaminate) che distorcono localmente la normale conformazione dell α-elica. Questo meccanismo riparativo si basa sulla presenza di proteine che continuamente scorrono lungo la molecola di DNA alla ricerca di irregolarità strutturali del doppio filamento.

14 Il DNA è particolarmente suscettibile ai danni provocati dagli ultravioletti che possono causare la formazione di due legami covalenti tra due timine adiacenti presenti sullo stesso filamento (fotodimerizzazione). La presenza di dimeri di timina scompagina l appaiamento delle basi e distorce la doppia elica. In queste condizioni il DNA non può più essere duplicato o trascritto.

15 Basi alterate = Meccanismo di riparazione 2 Mutazione puntiforme = Meccanismo di riparazione 1 IL DNA PUO ANCHE ESSERE DANNEGGIATO QUANDO I GRUPPI AMINICI DELLA CITOSINA, ADENINA E GUANINA (LA TIMINA NON POSSIEDE UN GRUPPO AMINICO) VENGONO ELIMINATI A SEGUITO DI REAZIONI DI IDROLISI (DEAMINAZIONE IDROLITICA).

16 LE BASI DEAMINATE VENGONO RIMOSSE DA ENZIMI PARTICOLARI, LE DNA-GLICOSILASI CHE IDROLIZZANO I LEGAMI GLICOSIDICI TRA BASI DEAMINATE E DESOSSIRIBOSIO. L IDROLISI DEL LEGAME GLICOSIDICO DI UNA PURINA DEAMINATA PRODUCE UN SITO APURINICO, DI UNA PIRIMIDINA DEAMINATA UN SITO APIRIMIDINICO. Il tratto di DNA alterato (cioè contenente un dimero di timina oppure un sito apurinico o apirimidinico) viene riconosciuto da una endonucleasi che taglia il filamento di DNA ad una distanza di circa 4-8 nucleotidi a monte e a valle del nucleotide danneggiato. Delle elicasi e delle esonucleasi rimuovono e degradano il filamento singolo danneggiato. La DNA polimerasi I e la DNA ligasi riempiono la lacuna e saldano la discontinuità.

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