Genetica (biologia)

Sbobine di biologia 1 - Mutazioni

Gene e mutazione

Gene: è una sequenza di nucleotidi, che codificano per una proteina.

Mutazione: è il cambiamento del materiale ereditario di un gene. Le mutazioni sono eventi casuali e rari, importanti in quanto alla base dell'evoluzione biologica. Selettivamente una mutazione può essere:

• Vantaggiosa: porta ad una maggiore capacità riproduttiva.
• Svantaggiosa: porta ad una minore capacità riproduttiva.
• Neutra.

L’effetto delle mutazioni va sempre correlato all’ambiente in cui l’organismo si trova. La frequenza di mutazione misura il numero di mutazioni in una popolazione di individui o cellule al momento dell’osservazione. Il tasso di mutazione misura la frequenza con cui una mutazione si origina ex novo in un intervallo di tempo.

Classificazione delle mutazioni

• Mutazioni geniche: interessano un singolo gene, sono anche dette mutazioni puntiformi.
• Mutazioni cromosomiche: muta la struttura e/o il numero di cromosomi.

Classificazione in base al meccanismo di insorgenza:

• Spontanee: insorgono in assenza di agenti mutageni, ma solo per errori durante i processi di replicazione/ricombinazione del DNA. In questo caso l’operatore non riesce a risalire alla causa.
• Indotte: sono prodotte dall’intervento diretto dello sperimentatore.

Classificazione in base al tipo di cellula colpita:

• Mutazioni somatiche: colpiscono le cellule somatiche e si esauriscono nell’individuo. La mutazione viene trasmessa solo alla progenie della cellula colpita in origine. Si ha quindi un individuo mosaico.
• Mutazioni germinali.

Mosaicismo: coesistenza di 2 o più linee cellulari geneticamente distinte nello stesso individuo.

Mutazioni spontanee

Cause delle mutazioni spontanee:

• Errori nella replicazione.
• Tautomeria: modificazione delle basi del DNA.
• Errori nel crossing over.
• Destabilizzazione indotta dagli elementi trasponibili.

Errori nella replicazione: La DNA polimerasi commette degli errori durante la duplicazione del DNA, appaiando basi errate. L’attività di correzione corregge soltanto alcuni errori, ma per ogni ciclo sono presenti circa 320 mutazioni. Può esserci un appaiamento errato per slittamento: durante la replicazione del DNA può verificarsi l’appaiamento errato tra le due catene complementari, soprattutto se ci sono corte unità ripetute, a causa dello scivolamento di parti di queste sequenze. L’appaiamento può causare:

• Quando lo slittamento è in avanti: una delezione di uno o più nucleotidi sul filamento neosintetizzato; si forma una zona di non appaiamento sul filamento stampo.
• Quando lo slittamento è indietro: la bolla si forma sul filamento di neosintesi si ha un inserzione.

Tautomeria

È una particolare condizione per la quale una molecola si presenta sotto due diverse forme, pur avendo il medesimo numero di atomi. Ogni base azotata può comparire in forme isomeriche differenti, definite "tautomeri", che differiscono per le posizioni degli atomi e per i legami atomici. Le basi possono passare dal normale stato chetonico a quello enolico o dalla forma amminica a quella imminica; queste forme sono in equilibrio dinamico e causano appaiamenti errati. Conseguenze: una base può formare legami diversi da quelli normali e causare appaiamenti errati. Gli appaiamenti illegittimi possono dare luogo a mutazioni per sostituzione di coppie di basi.

Danneggiamenti al DNA

Depurinazione: durante questo meccanismo vengono perse una adenina ed una guanina, rompendo il legame glicosilico. Se la mutazione non viene riparata durante la replicazione al suo posto può essere incorporato un qualsiasi nucleotide. Deaminazione citosina uracile: può essere inserito nel filamento un uracile, che non è una base del DNA.

Mutazioni indotte

Il tasso di mutazione può essere amplificato grazie all’esposizione ad agenti mutageni; in questo caso si parla di mutazioni indotte.

Mutageni chimici

Sono presenti numerosi agenti chimici che, interagendo con il DNA, possono modificare o eliminare alcune basi causando appaiamenti errati.

• Agenti intercalanti.
• Analoghi delle basi.
• Agenti che modificano le basi.

Mutageni fisici

• Radiazioni UV a bassa energia; poco penetranti: i raggi UV causano la formazione dei dimeri di timina, cioè legami covalenti tra due timine adiacenti. Il danno è localizzato a livello superficiale della pelle; per ogni secondo al sole si producono 50/100 dimeri nelle cellule, di cui circa il 2% ricadono in sequenze codificanti.
• Radiazioni ionizzanti ad alta energia; molto penetranti: trasferiscono energia alle molecole biologiche con cui collidono, modificandole o danneggiandole. Possono causare: rottura di un singolo filamento, rottura del doppio filamento, modificazione chimica delle basi, rimozione di singole basi.

Effetto di una mutazione

Il prodotto di un gene normale è una proteina funzionante; il prodotto di un gene mutato è una proteina parzialmente o totalmente non funzionante. Nel genoma umano i geni sono separati da lunghi tratti di DNA; il DNA codificante rappresenta solo il 5% dell’intero genoma. Il DNA non codificante è necessario perché ci siano più probabilità che le mutazioni colpiscano le regioni non codificanti, quindi serve a proteggere le regioni codificanti.

DNA codificante: le conseguenze nella parte codificante del genoma sono legate all’effetto della mutazione sul prodotto. DNA non codificante: le mutazioni hanno effetto se avvengono:

• Nelle sequenze regolatrici: potrebbe alterare il legame con i fattori di trascrizione, influendo sul livello di trascrizione del gene (quantità di mRNA).
• Nelle sequenze introniche deputate allo splicing: può essere inserito l’introne, o parte di esso, oppure viene escluso l’esone.

Mutazioni geniche (o puntiformi)

La mutazione genica è il cambiamento del materiale ereditario di un singolo gene, che cambia la sequenza nucleotidica del gene. Si tratta di un cambiamento molto piccolo, per questo motivo sono dette: mutazioni puntiformi.

Cause:

• Sostituzione di basi.
• Delezione di basi.
• Inserzione di basi.

Sostituzione di basi

Una coppia di basi può essere sostituita da un'altra coppia. Vengono classificate in 2 gruppi:

• Transizioni: una purina viene sostituita da una purina oppure una pirimidina viene sostituita da un'altra pirimidina. Questo quindi può portare, ad esempio, alla sostituzione di una coppia di basi.
• Transversioni: una purina viene sostituita da una pirimidina o viceversa. Questo quindi può portare la sostituzione di una coppia di basi.

Inserzione e delezione di basi

Gli "agenti intercalanti" sono molecole in grado di inserirsi tra le basi; chimicamente sono simili alle purine. In seguito all’aggiunta di un agente intercalante in una molecola di DNA: al momento della duplicazione esso può produrre inserzioni o delezioni di basi.

• Se l’agente intercalante si inserisce nell’elica stampo: nel filamento neosintetizzato si aggiunge, a livello dell’agente, una base a caso. A seguito della replicazione risulta quindi una mutazione per inserzione.
• Se l’agente intercalante si inserisce nell’elica neosintetizzata: una volta che l’agente intercalante viene perso da parte del filamento si ha la delezione di una coppia di basi.

Cambiamento del fenotipo

Il cambiamento del fenotipo dipende da:

• Dal punto esatto in cui la mutazione è situata nel gene.
• Da quale prodotto viene solitamente codificato dal gene.

Conseguenze: le mutazioni che riguardano gli esoni solitamente hanno conseguenze fenotipiche, perché possono portare a cambiamenti nella sequenza amminoacidica codificata.

Effetti di una mutazione puntiforme

• Mutazione missenso: porta alla sostituzione di una base di un codone con un’altra base. Comporta il cambiamento del significato del codone (quindi probabilmente la codifica per un amminoacido diverso da quello originario).
• Mutazione non-senso: può trasformare un codone senso (che codifica per un amminoacido) in un codone non senso (un codone di stop). Comporta un cambiamento del codone dell’mRNA, quindi la formazione di una proteina tronca (e quindi, probabilmente, non funzionante).
• Mutazione di allungamento: può trasformare il codone di stop in un codone che codifica per un amminoacido. Comporta la formazione di una proteina con una più lunga sequenza di amminoacidi, per questo la proteina potrebbe essere non funzionante o poco efficiente.
• Mutazione silente: provoca un cambiamento di un codone in un altro, ma che codifica per il medesimo amminoacido. Questo non comporta alcun cambiamento nella proteina.
• Mutazione frameshift: causano lo scivolamento del sistema di lettura del codice genetico. Ogni volta che viene eliminata o aggiunta una base si causa la formazione di codoni diversi da quelli originari e il messaggio viene quindi alterato. Si forma una proteina alterata che, solitamente, non è funzionante.

Genetica

Generalità

Genotipo: costituzione genetica di un individuo, quindi il suo genoma. Il genotipo sotto l’influenza di altri geni, l’influenza ambientale ed eventi casuali durante lo sviluppo determina il fenotipo di un individuo.

Gene: una coppia di geni controlla un carattere ereditario che può essere assunto. Allele: gli alleli sono le diverse caratteristiche che può assumere un gene. Es: gene: controlla il colore degli occhi; alleli: occhi verdi, occhi marroni.

Tutti gli individui possiedono una coppia di alleli per ogni carattere:

• Individuo omozigote: quando la coppia è costituita da due alleli identici.
• Individuo eterozigote: quando la coppia è costituita da due alleli differenti.

Se per una determinata caratteristica genetica sono presenti due diversi alleli, quindi l'individuo è eterozigote per quel carattere:

• Dominante: la caratteristica che si manifesta fenotipicamente nell'individuo.
• Recessiva: la caratteristica che non si manifesta.

Cromosomi all'interno di una cellula

Condizioni legate al numero di cromosomi di una cellula:

• Aploide (N): una cellula che presenta un singolo assetto cromosomico. Ogni cromosoma è presente in singola coppia. Le cellule germinali umane sono aploidi.
• Diploide (2N): una cellula che presenta due serie di cromosomi. Tutte le cellule somatiche umane sono diploidi.

Cromatidi: sono le due coppie identiche di un cromosoma duplicato e tenuti insieme dal centromero, visibili durante la profase della divisione cellulare. Durante la divisione cellulare di una cellula diploide, quando la duplicazione del DNA è già avvenuta: si definisce cromosoma l'insieme dei due cromatidi identici. La quantità di DNA presente in una cellula si indica con c.

• Nella cellula germinale, aploide (N), è presente una quantità c di DNA.
• Nelle cellule somatiche, diploidi (2N), è presente una quantità 2c di DNA. Quando, durante la divisione cellulare, viene duplicato il DNA: la cellula rimane diploide (2N), ma ogni cromosoma è formato da 2 cromatidi fratelli quindi la quantità di DNA diventa 4c.

Localizzazione dei geni sui cromosomi: i geni occupano le stesse posizioni sui cromosomi omologhi.

Divisione cellulare

La divisione cellulare è il processo attraverso cui una cellula madre si suddivide in due cellule figlie. La cellula eucariote si suddivide attraverso una sequenza ordinata di eventi, che viene definita ciclo cellulare; il ciclo cellulare è costituito da 3 fasi:

• Interfase.
• Fase mitotica (M).
• Citodieresi.

1: Interfase

Comprende 3 fasi:

• Fase G1 (8 o più ore): accrescimento della cellula.
• Fase S (6-8 ore): fase di sintesi, in cui si duplica il DNA (raddoppia l’informazione genetica, in modo tale da dividerla equamente tra le cellule figlie).
• Fase G2 (2-5 ore): la cellula termina il proprio accrescimento e si prepara alla divisione cellulare. Il nucleo contiene 1 o più nucleoli ed i cromosomi non sono ancora riconoscibili come strutture distinte.

Le fasi G1 e G2: accrescono la cellula come massa e duplicano gli organelli, altrimenti ad ogni ciclo si originerebbero cellule sempre più piccole. La fase G0 è una fase statica nella quale si ritrova la cellula quando non si riproduce; dura indefinitamente.

Struttura dei cromosomi

La duplicazione del DNA determina la costituzione di un cromosoma formato da una coppia di cromatidi fratelli.

Centromero

I cromatidi fratelli sono uniti a livello del centromero: appare come un restringimento al cromosoma e costituisce una caratteristica distintiva del cromosoma. Inizialmente i due cromatidi sono uniti tra loro solo per mezzo di coesine: proteine che funzionano da collante e che vengono degradate all’inizio dell’anafase. In base alla posizione del centromero si riconoscono le diverse tipologie di cromosomi:

• Cromosomi metacentrici: presentano il centromero in posizione mediana, a suddividere il cromosoma in due bracci uguali.
• Cromosomi sub-metacentrici: il centromero è spostato verso una delle due estremità. Sono presenti un braccio più lungo ed uno più corto.
• Cromosomi acrocentrici: il centromero è in posizione subterminale, vicino ad una delle due estremità. Il braccio corto è caratterizzato da “satelliti”: elementi morfologici collegati tramite una “costrizione secondaria”.
• Cromosomi telocentrici: il centromero si trova ad una delle due estremità.

A livello del centromero è presente un diverso grado di impacchettamento della cromatina e la fibra di DNA viene suddivisa in 3 domini, strutturali e funzionali: cinetocore (unisce i cromatidi alle fibre del fuso), dominio centrale, appaiamento (unisce tra loro i due cromatidi). Le funzioni svolte dal centromero sono:

• Permettere la corretta segregazione dei cromosomi durante la divisione cellulare.
• Costituisce la regione di cromosoma a cui si attaccano le fibre del fuso.
• È la regione di appaiamento dei cromatidi fratelli.

Telomeri

Le regioni di DNA agli estremi del cromosoma costituiscono i telomeri: strutture che assumono un ruolo fondamentale proteggendo il cromosoma. Il cromosoma con una estremità danneggiata può facilmente legarsi ad altri, dando luogo a mutazioni.

2: Fase M (Mitotica)

Durante la fase M i cromosomi duplicati vengono equamente distribuiti in due nuclei figli; successivamente il citoplasma si divide in due separando le due cellule figlie.

La fase M viene generalmente divisa in:

• Mitosi: divisione del nucleo.
• Citodieresi: divisione del citoplasma.

Le cellule che si dividono per mitosi sono le cellule somatiche dell’organismo, ovvero tutte le cellule eccetto quelle a funzione riproduttiva (gameti e cellule germinali ancora indifferenziate). Il numero cromosomico n durante la mitosi varia come segue:

• La cellula che entra in interfase è una cellula somatica, quindi con un corredo cromosomico = 2n.
• La cellula che entra in mitosi, dopo aver duplicato il DNA, ha sempre un corredo cromosomico = 2n. Questo perché la duplicazione consiste nel formare 2 cromatidi fratelli, ma che costituiscono comunque un singolo cromosoma.
• Le due cellule figlie, al termine della mitosi, hanno un corredo cromosomico = 2n. Questo perché i due cromatidi fratelli di ogni cromosoma si separano, diventando veri e propri cromosomi, e si portano ciascuno per una delle due cellule figlie.

La quantità di DNA c durante la mitosi varia come segue:

• La cellula che entra in interfase ha una quantità di DNA = 2c.
• La cellula che entra in mitosi, dopo aver duplicato il DNA, ha una quantità di DNA = 4c.
• Le due cellule figlie, al termine della mitosi, hanno una quantità di DNA = 2c. Questo perché ciascuna riceve la metà del DNA della cellula madre.

Principali caratteristiche della mitosi:

• La mitosi è un processo continuo, senza pause.
• Porta alla formazione di due cellule figlie identiche alla cellula madre.
• Viene suddivisa in 4 fasi: profase, metafase, anafase, telofase.

Profase

1. Condensazione della cromatina in cromosomi: questo rende i cromosomi sempre più visibili.
2. Formazione del fuso mitotico: i centrosomi (struttura formata da due centrioli) si duplicano e si portano ai poli opposti della cellula, per poi agire come centri di catalizzazione tubulare e determinando la formazione delle fibre del fuso mitotico (è responsabile dei movimenti cromosomici durante la mitosi). Sono presenti 3 diversi microtubuli:
   • Microtubuli astrali: irradiano in tutte le direzioni dai centrosomi, mantenendo il centrosoma attaccato alla membrana. La forza di esclusione astrale agisce in 3 modalità differenti:
     • Respinge ciò che si avvicina troppo ai poli.
     • Permette la segregazione dei 2 cromatidi fratelli ai lati opposti della cellula.
     • Agisce in direzione opposta ai microtubuli del cinetocore.
   • Microtubuli del cinetocore: si agganciano al cinetocore (una placca proteica presente sul centromero) per poi separare i cromosomi.
   • Microtubuli sovrapposti (o polari): sono sovrapposti sulla linea mediana del fuso e lo tengono in asse; ne determinano l’accorciamento per allontanare i cromosomi in anafase.
3. Frammentazione della membrana nucleare.
4. Scomparsa del/dei nucleolo/i.

Metafase

1. I cromatidi si ancorano alle fibre del fuso: il legame del cinetocore alle fibre del fuso avviene per tentativi; il legame risulta stabile soltanto quando ciascun cinetocore nei due cromatidi si lega a due poli diversi.
2. Formazione della piastra metafasica: i cromosomi si allineano a distanza uguale dai poli del fuso; per mantenere questo risultato agiscono contemporaneamente 2 forze: forza di trazione dei cromosomi e forza di spinta verso l’equatore.

La piastra metafasica è la loro...