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GENOTOSSICOLOGIA
Tratta degli effetti mutageni degli agenti chimici e
delle radiazioni e della conseguenza per la salute
umana dell’esposizione a mutageni.
Include i danni al DNA e le alterazioni genetiche
che variano da cambiamenti in una o poche coppie
di basi (mutazioni del gene) a grandi cambiamenti
nella struttura (aberrazioni cromosomiche) o nel
numero (aneuploidie e poliploidie) dei cromosomi.
GENOTOSSICOLOGIA
Ogni agente che causa mutazioni è un mutageno.
Clastogeni sono quelli che causano aberrazioni
cromosomiche.
Aneugeni sono quelli che causano aneuploidia o
poliploidia.
GENOTOSSICOLOGIA
1. L’incremento della quantità di mutazioni nelle
cellule germinali umane (uova, sperma e loro
precursori) può causare una aumentata incidenza
di malattie genetiche nelle generazioni future;
2. Mutazioni nelle cellule somatiche possono
contribuire a varie malattie, tra cui il cancro, nei
soggetti esposti.
GENOTOSSICOLOGIA
SPECIE DI DANNI GENETICI
Mutazioni geniche
La mutazione genica è un cambiamento in un gene
nella sequenza del DNA. Sono anche chiamate
mutazioni puntiformi perché sono ristrette ad un
particolare sito.
Sono tipicamente rilevabili sulla
cambiamenti che causano nel fenotipo.
base
dei
GENOTOSSICOLOGIA
SPECIE DI DANNI GENETICI
Mutazioni geniche
Possono avvenire per:
1. Sostituzione di coppie di basi
2. Per scivolamento di lettura
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Mutazioni geniche
Nella sostituzione di coppie di basi, una coppia (e.g.
G:C) viene sostituita da un’altra (e.g. A:T).
Si chiama transizione se l’orientamento delle
coppie di basi rimane lo stesso (e.g. una purina è
sostituita da un’altra purina);
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Mutazioni geniche
si chiama transversione quando una purina è
sostituita da una pirimidina e viceversa.
purine
guanina e adenina
pirimidine timina e citosina
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Mutazioni geniche
Le conseguenze sono dipendenti dal risultano in
una sintesi proteica errata o senza senso.
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Mutazioni geniche
In una mutazione errata vi è un cambiamento nella
codifica nella quale un aminoacido ne sostituisce
un altro.
La mutazione può inattivare il gene, avere soltanto
lievi effetti o essere virtualmente senza effetti.
GENOTOSSICOLOGIA
SPECIE DI DANNI GENETICI
Mutazioni geniche
In una mutazione senza senso, il prodotto è
incompleto e non funzionale a causa della
prematura interruzione della sintesi proteica.
Una mutazione può anche prevenire la formazione
di un prodotto genico funzionale prevenendo la
trascrizione o il normale congiungimento con
l’RNA.
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Mutazioni geniche
Mutazioni che alterano la lettura del codice
genetico durante la traslocazione dell’RNA nella
proteina sono chiamate a scivolamento di lettura.
Coinvolge l’inserimento o la perdita di due coppie
di basi in un gene.
Il prodotto genico è grossolanamente alterato
poiché ogni tripletta è cambiata nell’mRNA dopo il
punto della mutazione.
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Mutazioni geniche
Il prodotto genico può anche essere incompleto
poiché la nuova sequenza di lettura include un
codone senza senso (UAA, UAG o UGA). Porta ad
un prodotto genico non funzionale.
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Mutazioni geniche
E’ stato individuato un terzo tipo di mutazione
chiamato “ripetizione della tripletta”.
E’ amplificato un particolare trinucleotide (e.g.
CTG/CTG/CTG/CTG). Sono coinvolte in numerose
malattie genetiche quali la distrofia miotonica, la
malattia di Huntington e la sindrome dell’X fragile.
SINDROME DELL’X FRAGILE
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Aberrazioni cromosomiche
Sono dovute a cambiamenti nella struttura dei
cromosomi.
Comprendono
rotture
e
vari
riarrangiamenti.
Quelle che coinvolgono un solo cromatide sono dette
aberrazioni cromatidiche, quelle che li coinvolgono
entrambi sono dette aberrazioni cromosomiche.
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Aberrazioni cromosomiche
Le radiazioni ionizzanti causano aberrazioni
cromosomiche quando le cellule vengono irradiate
prima della replicazione del DNA, aberrazioni
cromatidiche quando vengono irradiate dopo.
Al contrario, la maggior parte dei clastogeni causano
aberrazioni cromatidiche poichè colpiscono dopo la
replicazione.
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Aberrazioni cromosomiche
Alcune aberrazioni sono stabili e possono essere
trasmesse attraverso ripetute divisioni cellulari e
possono persistere nella popolazione cellulare.
Delezioni, duplicazioni, inversioni e traslocazioni
bilanciate sono riarrangiamenti cromosomici che
possono essere trasmessi.
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Aberrazioni cromosomiche
Oltre a aberrazioni stabili, le rotture cromosomiche
danno origine a frammenti acentrici (pezzi rotti senza
centromero), cromosomi dicentrici, cromosomi ad
anello e altri riarrangiamenti asimmetrici che sono
instabili e causano morte cellulare.
GENOTOSSICOLOGIA
SPECIE DI DANNI GENETICI
Aneuploidia e poliploidia
Cellule aneuploidi o poliploidi hanno un numero di
cromosomi diverso da quello normale per la specie.
L’aneuploidia è un aumento o una perdita di uno o
pochi cromosomi, mentre la poliploidia coinvolge set
completi di cromosomi.
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SPECIE DI DANNI GENETICI
Aneuploidia e poliploidia
Il normale numero diploide (2n) di cromosomi è 46;
quello di cellule o individui con 45 o 47 cromosomi
può essere descritto come aneuploide, con 69 come
poliploide, in questo caso come triploide (3n).
Aneuploidia con perdita di un cromosoma è detta
monosomica, quella con un cromosoma in più è detta
trisomica.
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MUTAZIONI E SALUTE
Mutazioni in cellule germinali
1,3% di neonati soffre di disordini genetici.
autosomici dominanti
1%
autosomici recessivi
0,25%
legati al sesso
0,05%
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MUTAZIONI E SALUTE
Mutazioni in cellule germinali
Circa la metà di queste sono mutazioni per
sostituzione di coppie di basi.
Delle rimanenti, molte sono delezioni.
Tra le sostituzioni di coppie di basi, sono prevalenti
transizioni al sito di nucleotidi adiacenti C e G (1/3 del
totale).
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MUTAZIONI E SALUTE
Mutazioni in cellule germinali
La nuova mutazione dominante è quindi espressa
nella 1a generazione.
Dal 3 al 6% dei bambini è affetto da anomalie
congenite. Se si aggiungono patologie a comparsa
tardiva (cardiopatie, ipertensione, diabete) la
proporzione di popolazione affetta supera il 60%.
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MUTAZIONI E SALUTE
Mutazioni in cellule germinali
Le aberrazioni cromosomiche causano morte fetale o
gravi anomalie.
L’aneuploidia causa anch’essa morte
anomalie quali la sindrome di Down.
fetale
o
Circa lo 0,4% dei bambini ha una sindrome associata
a anomalie cromosomiche. La maggioranza di questi
(85%) presenta trisomie.
GENOTOSSICOLOGIA
MUTAZIONI E SALUTE
Mutazioni in cellule somatiche
L’instabilità cromosomica e la carenza nella
riparazione del DNA sono associati ad un aumentato
rischio di cancro.
Gli oncogeni
trasformazione
neoplastiche.
sono geni
di cellule
che stimolano la
normali a cellule
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MUTAZIONI E SALUTE
Mutazioni in cellule somatiche
Hanno origine quando geni chiamati proto-oncogeni,
che sono coinvolti nella normale crescita e sviluppo
cellulare, sono geneticamente alterati.
La regolazione della proliferazione cellulare richiede
un bilanciamento tra promozione e inibizione della
crescita cellulare.
GENOTOSSICOLOGIA
MUTAZIONI E SALUTE
Mutazioni in cellule somatiche
La mutazione di proto-oncogeni può portare alla
sovraespressione della loro attività stimolando la
crescita, mentre mutazioni che inattivano i geni
soppressori dei tumori, che normalmente riducono la
proliferazione cellulare, liberano la cellula dalla loro
influenza inibitoria.
GENOTOSSICOLOGIA
MUTAZIONI E SALUTE
Mutazioni in cellule somatiche
L’azione degli oncogeni è geneticamente dominante.
I proto-oncogeni possono essere convertiti in oncogeni
attivi da mutazioni puntiformi o da alterazioni
cromosomiche. Tra queste, sono prevalenti le
traslocazioni, oltre alle mutazioni per sostituzione di
coppie di basi.
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MUTAZIONI E SALUTE
Mutazioni in cellule somatiche
Il linfoma di Burkitt, ad esempio, coinvolge una
traslocazione tra il braccio lungo del cromosoma 8,
che è la sede dell’oncogene c-MYC e il cromosoma 14
(90% dei casi), 22 e 2.
Diversamente dagli oncogeni, gli alleli che causano il
cancro derivanti da geni soppressori dei tumori sono
tipicamente recessivi.
GENOTOSSICOLOGIA
MUTAZIONI E SALUTE
Mutazioni in cellule somatiche
L’inattivazione di geni soppressori dei tumori è stata
associata con varie forme di cancro, incluse quelle a
carico dell’occhio, del rene, del colon, del cervello,
della mammella, del polmone e della vescica.
Alcuni tipi di cancro coinvolgono sia l’attivazione di
oncogeni, sia l’inattivazione di geni soppressori dei
tumori.
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MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA
Mutazioni che causano alterazioni del DNA
La mutagenesi è una alterazione chimica o fisica nella
struttura del DNA.
In genere, mutazioni puntiformi si correlano bene con
la formazione di O6-alchilguanina (misaccoppiamento
con la timina), mentre le aberrazioni cromosomiche si
correlano meglio con l’alchilazione dei siti azotati.
GENOTOSSICOLOGIA
MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA
Riparazione del DNA
1. Diretta, nella quale la reazione che causa danno al
DNA è annullata;
2. Taglio, nella quale le basi danneggiate o scorrette
sono rimosse o riparate.
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MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA
Riparazione del DNA
Esempi di riparazione diretta sono fotoriparazione
dopo esposizione a radiazioni UV, la rimozione di
addotti delle basi, l’inserzione di purine nel sito della
base persa e la chiusura di un singolo filamento da
parte della DNA-ligasi.
Esempi della seconda sono il taglio del nucleotide (più
comune) o il taglio della base.
GENOTOSSICOLOGIA
MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA
Riparazione del DNA
La riparazione non protegge completamente dagli
effetti mutageni poiché i processi possono essere
saturati o possono riparare in maniera non efficiente
alcuni tipi di danno.
GENOTOSSICOLOGIA
MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA
Induzione di aneuploidia o poliploidia
Cellule aneuploidi possono generare da cellule
normali per non disgiunzione, cioè l’appropriata
separazione di cromosomi omologhi nella meiosi I o di
cromatidi fratelli nella meiosi II o mitosi.
Il risultato è che un polo del fuso riceve entrambi gli
omologhi o i cromatidi e l’altro ne è privo.
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MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA
Induzione di aneuploidia o poliploidia
Assumendo il coinvolgimento di un solo cromosoma (o
pochi), i nuclei fratelli avranno un cromosoma in più
o in meno.
La poliploidia coinvolge un intero set di cromosomi. Il
numero di cromosomi può essere doppio se i
cromosomi si duplicano normalmente nell’interfase,
ma i cromatidi non si separano nella seguente
divisione mitotica. Una cellula diploide diventa quindi
tetraploide.
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MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA
Effetti ricombinanti
La ricombinazione genetica tra sequenze omologhe di
DNA è parte normale della meiosi ed è fondamentale
nelle variazioni genetiche delle popolazioni.
Può anche avvenire (meno frequentemente) durante la
mitosi.
Numerosi mutageni e cancerogeni aumentano la
frequenza delle ricombinazioni mitotiche. Alcuni agenti
sono noti come ricombinanti. I loro effetti causano
reciproche e non reciproche ricombinazioni mitotiche.
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REAZIONI STRUTTURA-ATTIVITA’
Molti mutageni e cancerogeni contengono gruppi
sostituenti che possono servire come “allarmi
strutturali”.
Di seguito sono riportate le strutture che possono essere
coinvolte in effetti mutageni e/o cancerogeni:
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esteri alchilici dell’acido fosforico e sulfonico
nitro-gruppi alifatici o aromatici
azo-gruppi aromatici
anelli aromatici N-ossidati
gruppi aromatici alchil o dialchilaminici
alchilidrazine
alchilaldeidi
N-metilol-derivati
monoaloalcheni
mostarde azotate e solforate
N-cloroamine
propiolattoni
propiosultoni
aziridine alifatiche e aromatiche
sostituti alchilalidici aromatici e alifatici
carbamati
N-nitrosamine alchilate
amine aromatiche
N-idrossi e esteri derivati di amine aromatiche epossidi alifatici
ossidi aromatici