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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 numeriche

Freemartinismo
In questa slide è possibile osservare nell’immagine:

  1. un esemplare giovane di razza Agerolese freemartin, 2n=60 XX,XY, nato da un parto gemellare;
  2. dopo l’esame cariologico si è potuto confermare che il soggetto era freemartin e nell’immagine 2 è possibile osservare una piastra metafasica caratterizzata dalla contemporanea presenza di una cellula femminile (XX, indicate dalle frecce rosse) ed una cellula maschile (XY, indicate dalle frecce blu).
Immagine 1.

Immagine 1.

Immagine 2.

Immagine 2.


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.

    Le mutazioni cromosomiche strutturali

    La delezione

    E’ caratterizzata dalla perdita di un tratto di un cromosoma in seguito ad una rottura che può essere indotta da diversi agenti eziologici: la temperatura, le radiazioni (in particolare quelle ionizzanti), virus, sostanze chimiche o da errori nella ricombinazione.
    Mancando un segmento cromosomico, le delezioni non sono reversibili.
    Le conseguenze dipendono da geni o dalle parti di geni che vengono rimossi.

    Immagine 3: Esempio di delezione di un cromosoma normale.

    Immagine 3: Esempio di delezione di un cromosoma normale.


    Le mutazioni cromosomiche strutturali (segue)

    La duplicazione

    E’ caratterizzata dal raddoppiamento di un tratto di un cromosoma. La dimensione del tratto duplicato può variare ampiamente e segmenti duplicati possono trovarsi in punti diversi del genoma oppure in una posizione tandem (cioè l’uno vicino all’altro testa-coda).

    Duplicazione tandem inversa: l’ordine dei geni nel segmento duplicato è il contrario dell’ordine originale.

    Duplicazione tandem terminale: i segmenti duplicati sono disposti in tandem all’estremità di un cromosoma.

    Immagine 4: Esempi di duplicazione di un cromosoma normale.

    Immagine 4: Esempi di duplicazione di un cromosoma normale.


    Le mutazioni cromosomiche strutturali (segue)

    L’inversione

    Si verifica quando un segmento cromosomico viene tagliato e poi reintegrato nel cromosoma dopo rotazione di 180° rispetto all’orientamento originale. Vi sono due tipi:

    1. Inversione pericentrica: comprende il centromero;
    2. Inversione paracentrica: non comprende il centromero.

    Il materiale genetico non viene perduto, però possono esservi delle conseguenze fenotipiche se i punti di rottura sono all’interno di un gene o entro regioni che controllano l’espressione di un gene. Le conseguenze meiotiche:

    • se l’inversione è allo stato omozigote, la meiosi è normale;
    • se l’inversione è allo stato eterozigote, il crossing-over comporta gravi conseguenze genetiche.

    I prodotti del crossing-over saranno diversi a seconda del tipo di inversione. A causa della presenza di un tratto invertito su un omologo, l’appaiamento dei cromosomi omologhi richiede la formazione di anelli o anse di inversione, contenenti i tratti invertiti.

    Immagine 5: Esempi di inversione di un cromosoma normale.

    Immagine 5: Esempi di inversione di un cromosoma normale.


    L’inversione

    Immagine 6: Conseguenze meiotiche di un’inversione.

    Immagine 6: Conseguenze meiotiche di un'inversione.


    Le mutazioni cromosomiche strutturali

    La traslocazione

    E’ una mutazione cromosomica consistente nel cambiamento di posizione di segmenti cromosomici e quindi delle sequenze geniche in essi contenute. Non vi è né aumento né perdita di materiale genetico.
    Vi sono due tipi di traslocazioni semplici:

    • intracromosomica (entro un cromosoma): cambiamento di posizione di un tratto cromosomico entro lo stesso cromosoma (Immagine 7);
    • intercromosomica (tra cromosomi): spostamento di un segmento cromosomico da un cromosoma ad un altro non omologo (Immagine 7).

    Quest’ultima a sua volta può essere:

    • non reciproca: implica un trasferimento da un cromosoma ad un altro;
    • reciproca: implica uno scambio di segmenti tra due cromosomi (Immagine 8).
    Immagine 7.

    Immagine 7.

    Immagine 8.

    Immagine 8.


    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

    Questo tipo di aberrazione cromosomica fu scoperta da Gustavsson nel 1964, nel corso di un’indagine cariologica condotta su 2045 animali appartenenti alle razze: Bianca e Rossa Svedese (SRB) e Frisona Svedese (SLB). Furono evidenziati tre diversi assetti cromosomici: 2n = 60, 2n = 59 (portatori eterozigoti) e 2n = 58 (portatori omozigoti). Affinate le tecniche di bandeggio fu scoperto che i cromosomi coinvolti nella fusione centrica erano l’1 ed il 29. Nei portatori eterozigoti della traslocazione Robertsoniana, teoricamente, si ha la formazione di gameti normali o bilanciati e, attraverso la non disgiunzione meiotica, alla formazione di gameti aneuploidi. Nei gameti bilanciati si conta un corredo cromosomico aploide 2n=59, ma il numero fondamentale (numero di braccia) resta quello del cariotipo normale aploide (l’informazione genetica è totalmente trasmessa, ad eccezione del corredo cromomerico). Nei gameti aneuploidi, formatisi attraverso una segregazione non disgiuntiva, si ha una perdita di informazione genetica o la presenza di cromosomi in più. La partecipazione di gameti aneuploidi alla fecondazione porta alla formazione di zigoti monosomici o trisomici che muoiono durante la gestazione (corredo cromosomico incompatibile con la vita). Pertanto, individui eterozigoti per una traslocazione Robertsoniana presentano una riduzione di fertilità, percentuali di aborto superiore alla media ed un certo numero di progenie aneuploide con anormalità congenite.

    Immagine 9: La traslocazione Robertsoniana.

    Immagine 9: La traslocazione Robertsoniana.


    La traslocazione Robertsoniana (segue)

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

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


    I materiali di supporto della lezione

    Peretti V., Ciotola F., Albarella S., Paciello O., Dario C., Barbieri V., Iannuzzi L. (2008). XX/XY chimerism in cattle: clinical and cytogenetic studies. Sex Dev. 2(1):24-30.

    Clinical and Cytogenic Studies

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