Vincenzo Peretti » 4.Le mutazioni geniche, cromosomiche e genomiche

Le mutazioni

Le mutazioni sono dei cambiamenti ereditari del materiale genetico e sono eventi rari, casuali ed improvvisi.

Possono essere:

• dominanti: se interessano un allele dominante;
• recessive: se interessano un allele recessivo.

Possono interessare le cellule:

• somatiche: si manifesteranno se sono dominanti, se si verificano in un certo stadio dello sviluppo e se insorgono in alcune parti dell’organismo (se sono coinvolti geni delle crescita cellulare si può avere la trasformazione tumorale della cellula). NON sono trasmissibili alla progenie;
• germinali: coinvolgono i gameti e quindi SONO ereditabili.

Le mutazioni in base all’ampiezza del cambiamento possono essere:

• geniche: uno o più nucleotidi;
• cromosomiche: uno o più cromosomi;
• genomiche: intero genoma.

Le mutazioni geniche

Sono cambiamenti della sequenza nucleotidica del DNA. Si possono verificare per: sostituzione di base; inserzione/duplicazione/delezione (frameshift).

Il cambiamento può riguardare una o poche basi; nel primo caso si parla più propriamente di mutazioni puntiformi. Le sostituzioni di base si suddividono in:

• transizioni: sostituzione di una purina (A, G) con un’altra purina o di una pirimidina (T, C) con un’altra pirimidina; è mantenuto l’orientamento purina:pirimidina nelle due eliche;
• transversioni: sostituzione di una purina con una pirimidina o viceversa; l’orientamento delle purine e pirimidine nelle due eliche è invertito.

La mutazione frameshift è dovuta a inserzione o delezione di una o poche coppie di basi (mai nel numero di tre o multipli di tre) in regioni codificanti o non. Ne deriva uno scorrimento del frame di lettura dal sito mutato in poi. Se la base o sequenza inserita è identica a quella precedente si parla di duplicazione. Le sostituzioni di basi possono creare mutanti:

• missenso: inserimento di un aminoacido sbagliato in un polipeptide per cui si ha la produzione di una proteina difettosa. Determinano una riduzione della funzione. Fenotipo parzialmente mutato. Es. E. Coli termosensibili (ts) a 42°C;
• nonsenso: la tripletta modificata non codifica per alcun aminoacido per cui si ha la produzione di proteine tronche. Fenotipo mutante completo.

Le mutazioni geniche (segue)

Le inserzioni, duplicazioni o delezioni portano quasi sempre ad un fenotipo mutante completo perché sono responsabili della sintesi di proteine gravemente alterate.

Invece una delezione (o addizione) di tre coppie di nucleotidi porta alla perdita (o acquisto) di un aminoacido (o più) nella sequenza proteica senza che nel complesso questa sia seriamente modificata. La mutazione è detta silente quando porta alla formazione di una nuova tripletta che codifica per lo stesso aminoacido a causa della degenerazione del codice genetico quindi non c’è una variazione fenotipica. La mutazione è detta neutra quando non ha effetto sul fenotipo e passa inosservata. Si verifica quando:

• la tripletta mutata codifica per un aminoacido diverso che però non altera la funzione della proteina;
• la mutazione coinvolge un gene che codifica per una proteina non indispensabile;
• il gene mutato non si esprime;
• la mutazione è soppressa da un’altra mutazione.

Una caratteristica delle mutazioni geniche, in particolare di quelle puntiformi, è la reversibilità cioè la capacità di ridare, in seguito ad una successiva mutazione, il fenotipo normale. Reversione vera o retromutazione: la sequenza del gene mutato torna ad essere quella esatta (si ristabilisce oltre al fenotipo anche il genotipo normale). Reversione di sito o di codone: la mutazione che ha riportato al fenotipo normale è avvenuta all’interno del codone originale; la nuova tripletta continua a codificare per lo stesso aminoacido a causa della degenerazione del codice. Reversione per soppressione: la sequenza del gene resta mutata ma la seconda mutazione che sopprime l’effetto della prima, ristabilendo il fenotipo normale, avviene in un punto diverso del DNA.

Le mutazioni spontanee

Le mutazioni possono ancora essere distinte in:

1. indotte: sono causate da agenti mutageni;
2. spontanee: insorgono in condizioni normali in assenza di specifici agenti esterni identificabili.

Le mutazioni spontanee

Sono molto rare. Hanno un ruolo importante in fenomeni biologici quali l’evoluzione e la cancerogenesi, e probabilmente sono implicate anche nell’invecchiamento, malattie autoimmuni, neurodegenerazione, aterosclerosi.
Il tasso di mutazione spontanea è il risultato di una serie di fattori endogeni ed esogeni che possono essere sia mutageni che antimutageni.
Spontaneamente sono prodotti tutti i tipi di mutazione genica: sostituzione di base, inserzioni, duplicazioni e delezioni.
Le mutazioni si verificano con maggiore frequenza in alcuni siti definiti punti caldi (hot spots), come quelli contenenti 5-metil-citosina.

Le cause possono essere:

• esogene: presenza nell’ambiente di agenti mutageni come radiazioni cosmiche, radionuclidi, analoghi di base del DNA e altri composti chimici che possono interagire casualmente con il DNA;
• endogene: sono correlate a processi fisico-chimici, quali rottura dell’elica del DNA in seguito ad idrolisi, oppure errori che si verificano nel corso dei processi fisiologici.

Le mutazioni cromosomiche

Le mutazioni cromosomiche possono essere classificate in due gruppi principali: numeriche (poliploidia e aneuploidia): cambiamenti nel numero di interi assetti cromosomici oppure modificazioni nel numero di singoli cromosomi; strutturali (aberrazioni cromosomiche): modificazioni nella sequenza del DNA lungo l’asse del cromosoma in seguito ad eventi di rottura del cromosoma stesso. Quando questi eventi di rottura sono seguiti da riunioni e quindi una riorganizzazione strutturale del cromosoma, si parla di riarrangiamenti strutturali, altrimenti si definiscono delezioni

Le mutazioni cromosomiche numeriche
Si distinguono in:

1. Poliploidia: cambiamento di interi assetti cromosomici cioè il numero dei cromosomi di un organismo è un multiplo del numero aploide di quella specie.
2. Aneuploidia: modificazione del numero di singoli cromosomi che determinano un ineguale numero a carico della coppia cromosomica

Le anomalie che interessano gli autosomi sono spesso letali (aborti precoci o morte perinatale) oppure si accompagnano a fenotipi anormali facilmente rilevabili (es. trisomia del cromosoma 18 nel bovino che si associa ad una grave forma di brachignatismo; trisomia del cromosoma 27 nel cavallo associata ad artrogrifosi). Le anomalie che interessano i cromosomi sessuali sono compatibili con la vita ma si associano a gravi problemi di fertilità o in taluni casi a sterilità.

Le mutazioni cromosomiche (segue)

Le mutazioni cromosomiche numeriche dei cromosomi sessuali

1. la sindrome di Turner o monosomia X (X0): soggetti con genitali esterni femminili ma con gonadi assenti o atrofiche;
2. la sindrome di Klinefelter (XXY): soggetti fenotipicamente maschili ma con atrofia testicolare e ginecomastia;
3. la sindrome del triplo X (XXX): soggetti fenotipicamente femminili a volte normali ma sterili, in altri casi presentano mancato sviluppo somatico.
4. Freemartinismo o mosaicismo ertitrocitario (XX/XY): è un esempio di intersesso che si verifica soprattutto nella specie bovina (raramente nelle specie ovina e suina), nel 92% delle gravidanze gemellari quando i due feti gemelli sono di sesso opposto. I maschi sono generalmente normali e fertili mentre le femmine sono sterili. Fenotipicamente presentano i genitali esterni, ma in genere l’utero non è sviluppato e le ovaie possono presentare contemporaneamente tessuto ovarico e testicolare. Negli stadi iniziali dello sviluppo si verifica una fusione delle membrane fetali, con conseguente anastomosi dei vasi placentari, in tal modo si verifica uno scambio degli ormoni prodotti nei due feti di sesso diverso e dei linfociti e delle altre cellule del sangue. Gli ormoni maschili sono secreti dal testicolo del vitello prima che l’ovaio della gemella sia completamente sviluppato e impediscono il normale accrescimento sia dell’ovaio che delle vie genitali.

Le mutazioni cromosomiche

Le mutazioni cromosomiche strutturali
Esistono 4 tipi principali di mutazioni cromosomiche che implicano cambiamenti nella struttura del cromosoma:

• delezioni e duplicazioni: comportano un cambiamento nella quantità di DNA;
• inversioni: comportano un cambiamento nell’orientamento di un tratto cromosomico;
• traslocazioni: implicano un cambiamento nella localizzazione di un segmento cromosomico.

Tutte queste mutazioni hanno origine da una o più rotture nel cromosoma. Se una rottura si verifica all’interno del gene, la sua funzione può andare perduta.
Pertanto i danni saranno strettamente correlati all’informazione genetica che viene persa.
Da un punto di vista clinico, sono interessanti le anomalie bilanciate cioè associate a situazioni di euploidia, che non comportano alterazioni fenotipicamente visibili ma che spesso sono associate a problemi di fertilità.

L’inversione

Immagine 6: Conseguenze meiotiche di un'inversione.

La traslocazione

Negli organismi omozigoti per le traslocazioni, la conseguenza di questa mutazione è un cambiamento della relazione di associazione tra i geni.
Le traslocazioni influenzano soprattutto i prodotti della meiosi. In molti casi, alcuni gameti prodotti sono sbilanciati, in quanto hanno duplicazioni o delezioni e possono essere non vitali.
Nei casi omozigoti per una traslocazione reciproca, la meiosi avviene normalmente, dato che tutti i geni si possono appaiare correttamente e il crossing-over non produce nessun cromatidio anomalo. Negli organismi eterozigoti per una traslocazione reciproca le diverse parti dei cromosomi omologhi cercano di appaiarsi come meglio possono dando luogo nella profase della meiosi I a configurazioni particolari (es. a croce). I problemi insorgono nell’anafase I durante la segregazione che si potrà realizzare in vari modi dando luogo a gameti vitali (se contengono una serie completa di geni) o non vitali (se contengono delezioni o duplicazioni geniche).
Negli animali i gameti portatori di segmenti cromosomici duplicati o deleti possono funzionare, ma gli zigoti originati da tali gameti generalmente muoiono.

Le mutazioni cromosomiche strutturali

La traslocazione Robertsoniana
Definita anche fusione centrica, è l’aberrazione cromosomica più studiata e diffusa (nei bovini è presente soprattutto nelle razze da carne).

Consiste nella fusione di due cromosomi acrocentrici ai centromeri con la conseguente formazione di un cromosoma metacentrico o submetacentrico e di un piccolo elemento eterocromatico che presumibilmente si perde nelle susseguenti divisioni.

La traslocazione Robertsoniana (segue)

Immagine 10: Piastra metafasica di un bovino portatore eterozigote della traslocazione Robertsonina 1;29, 2n=60, XY, rob(1;29).