Genetica generale

CAUSE DELLE MUTAZIONI SPONTANEE

- ERRORI DURANTE LA REPLICAZIONE

1) Appaiamento delle basi tautomeria chetoenolica→sostitizione di base

2) Scvivolamento e misappaiamento in sequenze ripetute→inserzioni/ delezioni

- CAMBIAMENTI CHIMICI SPONTANEI DEL DNA

1) Rimozione di gruppi chimici→sostituzione di base

APPAIAMENTO VACILLANTE (MUTAZIONI SPONTANEE)

Quando Watson e Crick descrissero la

stuttura della doppia elica del DNA e

proposero la sua replicazione

semiconservativa basata sull’appaiamento

specifico delle basi per spiegare la

trasmissione tanto accurata

dell’informazione genica, essi ipotizzarono

anche un meccanismo per dar conto delle

mutazioni spontanee.

Essi ipitizzarono che le strutture delle basi

non sono statiche. Gli atomi di idrogeno si

possono spostare dalla posizione che

occupano in una purina o in una pirimidina

a un’altra posizione, tali fluttuazioni sono

chiamate TRANSIZIONI TAUTOMERICHE.

Le più stabili forme chetoniche per la

timina e la guanina e quelle amminiche

della citosima e adenenina a volte

potrebbero subire transizione tautomerica,

rispettivamente nelle forme meno stabile

enoliche e imminiche. Ci si aspetterebbe

che queste basi stiano nella loro forma

meno stabile solo per poco tempo.

Tuttavia, se una base esiste nella forma rara

proprio nel momento in cui il DNA va

incontro a replicazione ed è incorporata in una catena nascente di DNA, può provocare una

mutazione.

Le mutazioni causate da transizioni tautomeriche nelle basi del DNA provocano la

sostituzione di una purina in un filamento di DNA con l’altra purina e la sostituzione di una

piramidina nel filamento complementare con l’altra pirimidina→ transizione

Può accadere a volte l’appaiamento tra due pirimidine e due purine→ancora meno stabile

perché la doppia elica viene distorta in quanto la lunghezzadi legame è maggiore o minore dal

normale

Appaiamento con il tautomero è stabile ma raro

Appaiamento errato→ mutazione per sostituzione

SCIVOLAMENTO E DISAPPAIAMENTO IN SEQUENZE RIPETUTE (MUTAZIONI SPONTANEE)

Avviene a causa di ripiegamenti anomali dei filamenti durante la duplicazione. Si forma una

protusione sul filamento e si stabilizza legame con base adiacenti.

- Capita sia sul filamento nuovo che quello stampo

- In porzioni con ripetizione di una stessa base

Se è sul nuovo filamento→ INSERZIONE nuova base

Se su stampo DELEZIONE base su nuova elica

→

DEPURINAZIONE Viene persa una purina per rottura legame con

desossiribosio. Si aggiunge un’altra base anche se errata

per evitare morte cellulare

DEAMINAZIONE Viene rimosso un gruppo amminico daC

che produce U, C→U ma U è solo un RNA

Viene riconosciuta come base estranea e

viene rimossa, quando non viene

riconosciuta come base estranea avviene

una transizione da C-G a T-A.

Se base modificate 5^mC localizzate al 5’

(promotore) di alcuni geni è maggiore il

numero di deaminazioni non corrette→

maggiore probabilità di transizione

Le regioni ricche di queste basi modificate (ricche in C e G) sono definiti punti caldi

mutazionali in cui avvengono il 30% delle sostituzioni

MUTAZIONI INDOTTE

- MUTAGENI FISICI

1) Raggi UV→ non ionizzanti (poco penetranti)

I raggi ultravioletti dissipano la loro energia distribuendola agli atomi che incontrano,

portando gli elettroni degli prbitali più esterni a livelli di energia più elevati, eccitazione.

Quetsi raggi inducono mutazioni puntiformi.

2) Raggi X→ ionizzanti (penetrano i tessuti viventi in profondità)

In questi processi, i raggi ad alta energia collidono con gli atomi e determinano il

rilascio di elettroni (si rompe legame), lasciando radicali liberi o ioni carichi

positivamente. Questi raggi inducono mutazioni letali.

Le molecole che contengono atomi nella loro forma eccitata o ionica sono

chimicamente più reattive, l’aumentata reattività degli atomi presenti nelle molecole di

DNA è responsabile di buona parte delle mutagenicità delle radiazioni ionizzanti e

della luce ultravioletta.

- CROMOSOMICHE Le radiazioni ioizzanti inducono anche grandi cambiamenti nella

→

struttura del cromosoma

- GENICHE mutazioni puntiformi

→

È stato studiato anche la relazione tra dose e frequenza di mutazione indotte e anche la

quantità di raggi X nel tempo perché c’è l’effetto cumulativo.

- MUTAGENI CHIMICI

1) AGENTI INTERCALANTI→ si iseriscono tra le basi del DNA (inserzioni/delezioni)

2) ANALOGHI DELLE BASI mutageni solo sul DNA in replicazione, purine e pirimidine

→

con strutture simili alle basi normali

3) MODIFICATORI DELLE BASI modificano la struttura delle basi

→

MUTAGENI CHIMICI ANAGLOGHI DELLE BASI

I mutageni detti analoghi delle basi hanno strutture simili alle basi normali e vengono

incorporate nel DNA durante la replicazione. Tuttavia, le loro strutture sono sufficientemente

diverse da quelle delle basi normali e aumentano la frequenza di appaiamento errati, e quindi

di mutazioni durante la replicazione. Avviene una sostituzione (transizione)

MUTAGENI CHIMICI MODIFICATORI DELLE BASI

Modificano la struttura chimica delle basi e agiscono su:

- Gruppi amminici

- Introducono gruppi idrossilici

- Introducono gruppi alchilici Nessuna mutazione

CG→TA

AT→ GC

CG→TA

GC→AT

MUTAGENI CHIMICI INTERCALANTI DELLE BASI

Intercalante occupa lo spazio, poi se ne va, delezione ,

frameshift, alterazione prodotto proteico.

AZT (AZITOMIDINA)

Il virus HIV-I è un retrovirus con un genoma a RNA, grazie alla trascrittasi inversa

RNA→DNA

Si è agito a livello della trascrittasi inversa, infatti hanno sviluppato una molecola analoga

della timidina AZT che blocca la trascrittasi inversa in quanto non viene usata come

substrato per la DNA polimerasi eucariotica. Nel momento in cui viene inserita la base

AZT viene impedito l’allungamento del DNA virale, grazie alla trascrittasi inversa.

AZT non è un buon substrato per la polimerasi quindi blocca trascrizione. Viene usato per

la cura dell’AIDS.

MUTAGENI FISICI RAGGI UV

Non hanno energia sufficiente per ionizzare, ad alte dosi possono uccidere la cellula,

infatti i raggi UV sono usati per sterilizzare. UV danneggia la cute non i tessuti interni

Le basi del DNA assorbono la lunghezza d’onda dei raggi UV (250-260nm), che passano ad

uno stato più eccitato. In particolare si è visto che il prodotti principali dell’assorbimento

dei raggi UV da parte delle pirimidine sono gli idrati e dimeri di pirimidine.

Quindi con i dimeri di pirimidine viene indotto da formazione di legami tra pirimidine dello

stesso filamento T-T.

i dimeri di timina causano mutazioni in due modi

- Perturbano la struttura a doppia elica del DNA e interferiscono con un’accurata

replicazione

- Si verificano errori durante i processi cellulari che riparano i difetti→ sostituzione

senza i meccanismi di riparazione ci sarebbe morte cellulare

MECCANISMI DI RIPARAZIONE DEL DNA

La molteplicità dei meccasmi di riparazione che si sono evuluti negli organismi viventi

documenta l’importanza di mantenere le mutazioni sia somatiche che germinali a livelli

tollerabili.

RIPARAZIONE DIRETTA: riconosce direttamente il danno e viene corretto

1) Correzione di bozze→ DNA polimerasi

2) Fotoriattivazione dimeri di timina→fotoliasi (rompe i dimeri di timina)

3) Riparazione alchilazione con rimozione gruppo metilico→ metiltransferasi

RIPARAZIONE DI UN DIMERO DI TIMINA PER FOTORIATTIVAZIONE

Questa riparazione è effettuata da un enzima attivato con la luce, chiamato, DNA fotoliasi.

Quando il DNA viene esposto alla luce UV, si producono dimeri di timina per formazione di

legami covalenti. La DNA fotoliasi si lega ai dimeri di timina e usa l’energia della luce (della

lunghezza d’onda 320-370nm) per per tagliare questi legami covalenti.

RIPARAZIONE PER EXCISIONE

La riparazione per excissione del DNA danneggiato coivolge almeno tre stadi.

1) Riconosce distorsione elica DNA→ endonucleasi di riparazione del DNA Uvr ABC

2) Riconoscimento appaiamenti arrati mediato da metilazione

→

3) Rileva “buchi” nell’elica non riempiti dalla DNA polimerasi sistema SOS (ricnosce

→

distorsione nella doppia elica e la ripara anche con una base sbagliata se no cellula

morirerebbe) 1) Uvr AB passa in rassegna ed individua i danni

del DNA

2) Uvr A viene rilasciata si lega UvrC

3) Taglia la 5’ e al 3’ del danno

4) UvrD si lega e svolge la regione tra i due tagli,

rilasciando il frammento danneggiato, la DNA

polimerasi I riempe il buco

5) La DNA ligasi unisce i segmenti di DNA

(riforma legame fosfodiesterico)

ERRORI APPAIAMENTO

Nelle cellule è presente l’attività esonucleasica 3’→5’ presente nel DNA polimerasi corregge

le eliche durante la loro sintesi, rimuovendo ogni nucleotide appaiato in modo errato

all’estremità 3’ del filamneto in crescita. La riparazione degli appaiamenti errati permette di

correggere i nucleotidi appaiati in modo errato lasciati nel DNA dal meccnismo di attività

esonucleasica 3’→5’.

Questo meccanismo avviene durante sintesi del DNA.

Il gene MutS riconosce la distorsione e si lega

ad esso per iniziare il processo di riparazione.

Il sistema di riparazione deve stabile quale

delle due basi è la mutata e quale invece è la

base corretta sui due filamenti. Il sistema di

riparazione effettua questa distinzione

riconoscendo il filamento stampo, che

contiene la base corretta, e il filamento

neosintetizzato, che contiene la base

incorporata in modo errato. Questa

distinzione può essere effettuata basandosi

sullo schema di metilazione del DNA appena

replicato. Vi è un intervallo di tempo durante il

quale il filamento stampo è metilato e quello

appena sintetizzato non lo è ancora.

MutH e MutL si legano al complesso. MutH

attività endonucleasica, che taglia il

filamento non metilato. Viene introdotta la

base giusta.

Sono coinvolti 3 geni nei procarioti: MutS, MutH e MutL

4 geni eucariotici: hMSH2, hMLH1, hPMS1, hPML2

RISPOSTA SOS

Quando il DNA delle cellule batteriche è pesantemente danneggiato,i batteri utilizzabo una

drastica strategia per sopravvivere la fase RISPOSTA SOS. I “buchi” vengono riempiti da basi

manon specifiche, quindi può causare una mutazione. SOS costituito da attività di 17 geni

regolati dai geni lexA e da recA .

Quando non è presente il danno→ proteina lexA legata al DNA reprime la trscrizione dei

17geni impl