Le mutazioni

Esercizi di genetica e mutazioni

Proteina e mRNA

1. Una proteina è lunga 120 amminoacidi. Quanto è lunga la corrispondente regione codificante dell’mRNA? 120 x 3 (perché una tripletta di codoni codifica per 1 amminoacido) = 360. A questo aggiungo un codone di stop ovvero 3 codoni quindi 360+3= 363 nucleotidi.

Traduzione dell'mRNA

2. L’estremità 5’ di un mRNA umano ha la seguente sequenza: 5’ cap-GAAAGCCACCAUGGUUAUGUUUCCCAAAGGGUGAUUU…-3’ Quando viene tradotto, quale sequenza amminoacidica verrà specificata? Prima di tutto cerco i codoni di inizio e fine per delineare la catena. N-Met-Val-Met-Phe (fenilalanina)-Pro-Lys (lisina)-Gly (glicina)-C.

Trascrizione e traduzione

3. Un segmento codificante del filamento stampo di un gene (DNA) ha sequenza: DNA 5’……CCCTTTGGGAAACAT……3’. Quale sarà la sequenza aminoacidica prodotta dopo trascrizione e traduzione? 3’…..GGGAAACCCUUUGUA…..5’ oppure leggerlo al contrario (faccio l’esercizio guardando prima la complementarietà tra DNA e mRNA ricordandomi di inserire uracile se trovo A). Scrivo il filamento nella forma al contrario cioè: 5’…AUGUUUCCCAAAGGG….3’. Ora grazie alla tabella cerco gli amminoacidi di riferimento dopo aver trovato il codone d’inizio. N-Metionina-Fenilalanina-Prolina-Lisina-Glicina-C.

Le mutazioni

Una mutazione possiamo definirla come qualsiasi variazione nel materiale ereditario sia essa dovuta ad un’alterazione della sequenza nucleotidica del DNA o ad una variazione del numero e della struttura dei cromosomi. Non si tratta necessariamente sempre di qualcosa di deleterio; ad esempio, la mutazione è la materia prima dell’evoluzione ed è grazie a questi cambiamenti di DNA (su cui hanno agito altri fattori ambientali) che le diverse specie viventi si sono formate nel corso del tempo. Se consideriamo anche le differenze fenotipiche tra gli individui di una stessa specie, possiamo affermare che questi siano dovuti a variazioni del materiale genetico insorte per mutazione e trasmesse poi ereditariamente da individuo a individuo. Chiaramente vi sono poi delle mutazioni dannose come quelle responsabili dell’insorgenza di tumori o malattie ereditarie.

Cercheremo di capire come possono insorgere le mutazioni, cercheremo di classificarle e cercheremo di analizzare le conseguenze che possono avere sul prodotto finale di un gene sulla proteina.

Tipi di mutazioni

Le mutazioni possono interessare il genoma di qualsiasi cellula, sia essa procariote o eucariote. Negli organismi pluricellulari occorre distinguere tra:

• Mutazioni somatiche: sono quelle che avvengono nelle cellule somatiche cioè in tutte quelle che compongono un organismo pluricellulare, ad eccezione di quelle della linea germinale. Nella nostra specie sono ad esempio le cellule del sangue, quelle epiteliali, muscolari e così via. Queste mutazioni sono trasmesse solo alle cellule che discendono da quella mutata.
• Mutazioni germinali: sono invece quelle che avvengono nelle cellule della linea germinale (gameti maschili e femminili o nei loro precursori). È evidente come una mutazione che interessa la linea germinale venga trasmessa agli individui della generazione successiva che avranno mutate, quindi, sia le cellule somatiche che germinali.

Una mutazione può interessare singoli nucleotidi o regioni limitate del genoma (mutazioni puntiformi) oppure essere estesa su una più larga scala e interessare il numero e la struttura dei cromosomi (mutazioni cromosomiche). Le mutazioni puntiformi possono avvenire in qualsiasi porzione del genoma sia codificante che non e se si verificano all’interno di un gene (regione codificante), vengono più propriamente dette mutazioni geniche.

Le mutazioni puntiformi

In base alla natura molecolare delle mutazioni puntiformi, possiamo suddividerle in:

• Mutazioni per sostituzione: si hanno quando una coppia di basi nella doppia elica di DNA viene sostituita da un’altra coppia di basi. Se ad essere sostituita è una coppia purina-pirimidina con un’altra coppia purina-pirimidina, si dice che la mutazione è per transizione (ex. A-T sostituita con la coppia C-G). La mutazione per sostituzione è detta invece per transversione quando una coppia purina-pirimidina è sostituita da una coppia pirimidina-purina (come nel caso di C-G che viene sostituita da G-C).
• Mutazioni per delezione o inserzione (o mutazioni frameshift=scivolamento della fase di lettura): sono dovute all’inserzione o delezione di coppie di nucleotidi (nell’esempio, si è inserita nel gene mutato una coppia G-C).

Abbiamo descritto la natura molecolare delle mutazioni puntiformi ma, quali sono le conseguenze di queste mutazioni quando insorgono all’interno di una sequenza codificante per le proteine? Cosa succede alla proteina di quel gene che è stato modificato dalla mutazione?

Effetti delle mutazioni per sostituzione

(A seconda dell’effetto provocato sulla proteina) Possiamo avere 3 diverse conseguenze quando queste si verificano all’interno di una sequenza codificante per una proteina. Distinguiamo:

• Mutazioni di senso (o missenso): la sostituzione di una coppia di basi nel DNA determina un cambiamento nel codone dell’mRNA e, di conseguenza, nella proteina viene inserito un amminoacido diverso. Nell’esempio, la sostituzione della coppia A-T con la coppia G-C determina nell’mRNA un cambiamento del codone codificante per lisina in un codone codificante acido glutammico. Quindi un amminoacido basico (lisina) è sostituito, nella proteina mutata, con un amminoacido acido. È probabile che questa mutazione possa avere quindi delle conseguenze sulla struttura o sul ruolo della proteina che si potranno poi riflettere sulla funzione o sulla vitalità della cellula, in relazione al ruolo che la proteina mutata possiede nella cellula che la esprime. In altri casi, come in figura, è mostrata una mutazione sempre di senso che vede la sostituzione di un amminoacido con un amminoacido con caratteristiche simile. Ad esempio la lisina con l’arginina. Questa variazione non andrà quindi ad alterare la funzione della proteina e possiamo definire questa mutazione come mutazione neutra.
• Mutazioni non senso: la sostituzione di una coppia di basi nel DNA determina la formazione di un codone di stop nell’mRNA. Ad esempio, in figura, la sostituzione della coppia A-T con la coppia T-A determina un cambiamento del codone codificante per lisina in un codone di stop. Quando, quindi, la molecola di mRNA verrà tradotta nei ribosomi si avrà una terminazione prematura della sintesi proteica e verrà quindi rilasciata una proteina non completa cioè più corta del normale. Questa proteina sarà quindi non funzionale, con conseguenze sul fenotipo e sulla vitalità della cellula.
• Mutazioni silenti (o sinonime): la sostituzione nucleotidica non causa una sostituzione amminoacidica. La mutazione cambia il codone nell’mRNA ma l’amminoacido specificato dal nuovo codone è lo stesso (caratteristica del codice genetico di poter attribuire ad un codone, un massimo di 4 amminoacidi). In figura, la sostituzione della coppia A-T con la coppia G-C determina nell’mRNA la variazione del codone che interessa il nucleotide in terza posizione e la nuova tripletta, che si è generata, codifica per lo stesso amminoacido (lisina). Quindi, la proteina mutata è identica a quella selvatica.

Il termine “selvatico” anche noto come “wild type” si riferisce al gene o al fenotipo più frequente in una popolazione naturale.

Effetti delle mutazioni per inserzione e delezione

A differenza di quelle per sostituzione, queste causano sempre un’alterazione del prodotto genico, spesso generando delle proteine non funzionali. Questo tipo di mutazione è detto anche scivolamento della cornice di lettura in quanto la conseguenza dell’inserzione o delezione di coppie di nucleotidi è proprio quella di far scivolare, durante la traduzione, la cornice di lettura dei codoni dell’mRNA. Ad esempio:

• In figura è mostrata una mutazione per inserzione di una coppia G-C. Tale inserzione, nel DNA, si ritrova anche ovviamente nella molecola di RNA che viene trascritta dal gene mutato. Poiché la lettura della molecola di RNA sui ribosomi avviene tripletta dopo tripletta, è evidente come l’inserzione di un nucleotide generi uno scivolamento della fase di lettura nella regione a valle. Di conseguenza nella proteina mutata, dal punto della mutazione in poi, ci sarà l’incorporazione di amminoacidi diversi da quelli presenti nella proteina selvatica. La traduzione di questo mRNA potrà poi continuare fino a quando, nella diversa cornice di lettura che si è generata, si trovi un codone di stop con conseguente rilascio della proteina. Quindi, al termine del processo, si otterrà una proteina che è diversa sia per sequenza amminoacidica che per lunghezza in quanto potrà essere più corta o più lunga a seconda di quando si incontra un segnale di stop.
• Una situazione analoga, si ha con l’inserzione o delezione di due coppie di nucleotidi. In figura si vede come anche l’inserzione di due coppie di nucleotidi generi uno scivolamento della cornice di lettura e quindi una variazione della sequenza amminoacidica dal punto dell’inserzione in poi. Inoltre, si è creato anche un codone di stop subito dopo la mutazione e quindi si avrà la sintesi di una proteina più corta.
• La situazione può migliorare se l’inserzione o la delezione riguardano una o più triplette. Nell’ultima figura, l’inserzione di una tripletta genera l’inserzione di un amminoacido nella proteina ma il resto della sequenza amminoacidica a monte o a valle della mutazione non cambia.

In conclusione, questi tipi di mutazioni generano quasi sempre proteine non funzionanti in quanto alterate nella sequenza amminoacidica e nella loro lunghezza. Le mutazioni puntiformi possono interessare qualsiasi regione del genoma di una cellula. Fino ad ora abbiamo trattato quelle che avvengono nelle regioni codificanti e abbiamo studiato i loro effetti. In realtà possono verificarsi anche in altre regioni del genoma come nei siti di splicing, nelle regioni dei promotori, nelle sequenze introniche o nelle regioni intergeniche. Anche queste mutazioni possono alterare il fenotipo dove per fenotipo si intendono le caratteristiche morfologiche o funzionali osservabili in una cellula o individuo. Così:

• Le mutazioni nei siti di splicing possono alterare lo splicing dell’RNA determinando, ad esempio, la non rimozione degli introni o l'eliminazione di interi esoni con conseguenze sulla maturazione dell’mRNA e quindi sulla proteina.
• Le mutazioni sui promotori possono invece alterare la trascrizione del gene a livello quantitativo causando una over espressione o una down regolazione del prodotto genico.
• Le mutazioni a livello della regione 3’ UTR possono causare, ad esempio, un’instabilità dell’mRNA e quindi influire sui livelli della proteina.
• Le mutazioni che possono avvenire nelle sequenze introniche o nelle regioni intergeniche che, essendo regioni trascritte, potrebbero portare a conseguenze fenotipiche anche rilevanti.

Le variazioni del materiale ereditario sono anche alla base delle differenze esistenti tra individui della stessa specie che condividono lo stesso genoma che presenta però differenze dovute a variazioni più o meno estese delle sequenze di DNA.