mutazioni - Studiare Medicina

MUTAZIONI
La mutazione è definibile come un evento casuale che produce un cambiamento del
patrimonio genetico ed è quindi ereditabile. Se tale variazione è in scala nucleotidica
(sequenza,qualità e numero dei nucleotidi) si definisce mutazione puntiforme; se
riguarda la struttura dei cromosomi è una mutazione cromosomica; se riguarda il
numero dei cromosomi si chiama mutazione genomica.
Vi possono essere mutazioni spontanee e mutazioni indotte (per azione di agenti
mutageni).
Inoltre le mutazioni possono essere somatiche o germinali, a seconda delle cellule che
interessa.
Mutazioni puntiformi.
Vi sono tre tipi di m. puntiformi: sostituzione, inserzione e delezione.
Le sostituzioni possono essere transizioni (se una purina viene sostituita da un’altra
purina,o una pirimidina con un’altra pirimidina) o trasversioni (una pirimidina viene
sostituita da una purina o viceversa).
Considerando gli effetti sul fenotipo, le mutazioni per sostituzione si possono classificare
come:
o Mutazione di senso o missense: la sostituzione determina il cambiamento di un
codone e quindi l’inserimento di un amminoacido diverso
o Mutazione non senso o nonsense: la sostituzione determina sull’mRNA un
codone di stop, causando la terminazione prematura della catena polipeptidica
o Mutazione neutra: è una missense che però permette il corretto folding della
proteina, in quanto l’amminoacido codificato dalla mutazione ha proprietà fisicochimiche molto simili a quelle dell’amminoacido nativo
o Mutazione silente, detta anche samesense: determina il cambiamento di un
codone che però codifica per lo stesso amminoacido codificato dal codone non
mutato. Non produce quindi nessun fenotipo mutato, per questo è detta silente.
Le mutazioni per inserzione o delezione di nucleotidi sono dette frameshift, perché
causano lo scivolamento della cornice di lettura. Durante la traduzione si avrà quindi una
lettura “fuori fase” a partire dal punto della mutazione, perché il messaggero è letto a
triplette continuativamente. Si possono quindi produrre proteine parzialmente funzionali (a
seconda della posizione ed estensione del frameshift) o frammenti peptidici tronchi (se il
frameshift determina il formarsi di un codone di stop prematuro).
Mutazioni nelle regioni non codificanti del gene.
Le mutazioni che interessano regioni non codificanti di solito non hanno conseguenze
fenotipiche. Però se interessano particolari zone quali il promotore, i siti di regolazione
dell’espressione genica o in quelle posizioni determinanti degli introni,come le sequenze
consenso o di splicing, possono avere diversi effetti. Ad esempio alcune sequenze non
codificanti intrageniche, come i dinucleotidi GT al donatore 5’ e AG all’accettore 3’
dell’introne,sono fondamentali per la corretta espressione del gene, in quanto riconosciute
dai complessi dello spliceosoma.
Le mutazioni che interessano i siti di splicing possono portare principalmente a due
conseguenze:
o Exon skipping, ovvero omissione di esoni
o Intron retention, ovvero ritenzione di introni
Vi sono altri casi in cui lo splicing è alterato perché alcune mutazioni possono verificarsi in
sequenze simili a quelle canoniche di splicing ma che normalmente non sono coinvolte in
questo processo (siti criptici di splicing). In seguito a mutazioni in queste zone
l’apparato di splicing le riconosce e le utilizza per il taglio e la saldatura degli esoni
producendo così dei nuovi trascritti.
Espansione delle ripetizioni di trinucleotidi.
In tutto il genoma umano si trovano delle sequenze di DNA ripetute in tandem, da 1-6
nucleotidi (microsatelliti) ad interi geni (dupliconi). In alcune patologia è stato evidenziato
un numero di copie di triplette ripetute inferiori o superiori alla norma: l’espansione o la
riduzione di tali triplette causa o la perdita dell’espressione genica o l’alterazione della
funzionalità dei prodotti di tali geni. L’espansione riguarda per lo più triplette quali CAG o
CGG. Queste espansioni instabili sono state scoperte nel 1991 studiando il gene FMR-1
responsabile della sindrome dell’X fragile (patologia che causa ritardo mentale e
disfunzioni muscolari a causa della mancanza di una proteina regolatrice degli mRNA
neuronali)
L’espansione è probabilmente frutto di due tipi di eventi:
o In fase di replicazione del DNA, in presenza di semplici sequenze ripetute,a causa
di appaiamenti sfalsati, si può verificare lo scivolamento del filamento di DNA
stampo sul filamento in sintesi (o viceversa) e determinare dunque l’inserimento o
la delezione di singolo unità ripetute (slippage mispairing).
o Eventi di crossing over ineguali possono a loro volta provocare l’aumento o la
diminuzione di grosse regioni contenenti ripetizioni da una generazione all’altra.
Queste mutazioni sono dette dinamiche perché, nel corso delle diverse generazioni, si
può osservare espansione così come riduzione del numero di triplette; proprio per questo
si definiscono anche mutazioni instabili.
Esistono stati intermedi di pre-mutazione in cui il livello di amplificazione delle triplette
non è ancora patologico ma si può considerare come una predisposizione alla mutazione.
Più alto è il numero di ripetizioni, più gravi saranno i sintomi. In tale contesto si osserva
anche il fenomeno dell’anticipazione: nel passaggio da una generazione all’altra, si
abbassa l’età di insorgenza e/o aumenta la gravità della malattia.
Mutazioni spontanee ed indotte. Agenti mutageni.
Le mutazioni spontanee sono nella maggior parte dei casi errori durante la duplicazione
del DNA che sfuggono ai meccanismi di riparazione, ma possono anche essere dovute ad
agenti mutageni che non siamo ancora riusciti ad individuare.
Il tasso di mutazione nell’uomo per geni singoli è compreso tra 10^-4 e 10^6/gene/generazione.
Gli errori durante la replicazione possono avvenire perché alcune basi azotate possono
trovarsi in forma tautomerica, formando delle coppie anomale (A=C e G=T). Le DNA
polimerasi non sono in grado di rilevare la mutazione. Altre mutazioni spontanee sono
dovute alla protrusione dell’elica stampo: quest’ultima non è ben stirata e al momento
della duplicazione possono venir saltati alcuni nucleotidi. Similmente la protrusione può
interessare l’elica neosintetizzata, comportando un’inserzione, essendo lo stampo letto più
volte nello stesso punto.
La depurinazione consiste nella perdita di una guanina o adenina in un nucleotide, cioè si
rompe il legame C-N glicosidico che lega la base azotata all’atomo di carbonio 1’ dello
zucchero. Se il danno non viene riparato, in fase di replicazione nell’elica di nuova sintesi
sarà incorporato un qualsiasi nucleotide.
Anche la deaminazione è un danno che può avere conseguenze gravi: quando la citosina
viene deaminata in uracile, non si hanno conseguenze perché solitamente viene
riconosciuto l’errore; ma se una 5-metilcitosina viene deaminata in timina, allora non vi
sono sistemi che rilevano la mutazione (nello specifico una transizione).
Il 5-bromouracile (5BU) è un analogo della timina per sostituzione del gruppo metile con
il bromo. Si presenta nella forma normale comportandosi come una timina, mentre nella
forma tautomerica (rara) si comporta come una citosina. Se aggiunto durante la
replicazione, sarà utilizzato dalle polimerasi.
Gli agenti alchilanti sono una categoria di mutageni che modificano le basi azotate,
metilandole e favorendo la formazione di coppie non canoniche con conseguenti mutazioni
per transizione.
Gli agenti intercalanti sono sostanze capaci di inserirsi nella sequenza nucleotidica in
quanto costituiti da 3 anelli simili ad una coppia di basi, come il colorante proflavina. Gli
agenti intercalanti causano sempre un frameshift.
I radicali liberi sono composti fortemente mutageni, in quanto molto reattivi.
Gli agenti mutageni fisici sono le radiazioni UV, che spesso causano la formazione di
dimeri pirimidinici che distorcono la doppia elica.
Riparazione del DNA.
Le cellule possiedono vari sistemi di riparazione del genoma. Quando questi sistemi non
riescono ad essere più efficienti, la cellula va in senescenza,e infine in apoptosi, per
evitare la carcinogenesi. Alcuni enzimi specifici sono capaci di riconoscere le modifiche
chimiche delle basi azotate e di ripararle; tra questi vi è la metil guanina metil transferasi
(MGMT), che rimuove gruppi metilici dalla guanina, e la fotoliasi, che nei batteri rompe il
legame prodotto dai raggi UV tra basi adiacenti di timina assorbendo un fotone.
Quando un solo filamento presenta un difetto, l’altro viene usato come stampo per guidare
la correzione. Su ciò si basa il riparo per escissione di base (BER), che ripara un
singolo nucleotide: rimuove la base azotata danneggiata grazie a DNA glicosilasi e AP
endonucleasi; riempie il gap col nucleotide corretto tramite DNA polimerasi beta; forma
tramite una ligasi il legame fosfodiesterico.
Il riparo per escissione di nucleotidi (NER) risolve invece danni che coinvolgono da 2 a
30 nucleotidi. Nello specifico, il danno è riconosciuto da fattori proteici UvrA e B che si
assemblano su di esso. UvrC si lega a UvrB e UvrA viene rilasciato; il complesso UvrB/C
opera due tagli alle estremità del tratto danneggiato; il complesso proteico viene rilasciato;
UvrD si lega al 5’P per svolgere la regione interessata (fa da elicasi) e la DNA polimerasi I
riempie l’interruzione; la DNA ligasi ripristina il legame fosfodiesterico.
Il mismatch repair (MMR), detto anche riparazione dell’appaiamento errato, corregge
errori di replicazione in cui vi sono accoppiamenti errati di basi. Questo sistema prevede
gli stessi enzimi del BER e NER più le proteine MutS (riconosce il mismatch) MutL
(stabilizza il complesso) e MutH (riconosce il filamento parentale).
Il riparo del doppio filamento rotto avviene in due modalità. La riparazione per
ricombinazione richiede la presenza di una sequenza identica, necessita cioè di un
cromatide fratello,per esempio.
Il non-homologous end-joining (NHEJ) riunisce le due estremità della rottura in assenza
di una sequenza che funga da stampo.
Variazioni della struttura dei cromosomi.
È possibile che i cromosomi si rompano e venga danneggiata o rimaneggiata la loro
struttura.
Le mutazioni cromosomiche possono essere sostanzialmente la duplicazione, la
delezione (variazioni quantitative), l’inversione e la traslocazione (riordinamento di
struttura). Le prime due si verificano spesso per crossing over ineguali.
In una delezione il frammento deleto,se non inglobato in un altro cromosoma e se
acentrico (non comprendente il centromero), viene perso durante la divisione cellulare.
Causate da delezioni sono la sindrome del “cri du chat” (delezione di una parte del braccio
corto del cromosoma 5) e la sindrome di Prader-Willi-Angelman (delezione parte del
braccio lungo del cromosoma 15). La sindrome del cri du chat comporta ritardo mentale,
malformazioni facciali e dell’apparato gastroenterico (alterazioni dovute alle delezioni
5p15.3 e 5p15-2).
Altre importanti delezioni sono state osservate in specifici tumori come il retinoblastoma
con la delezione 13q14 ed il tumore di Wilms (anomali renali e uro-genitali) dove si
osserva costantemente la delezione 11q.
Il retinoblastoma comporta aumento di rischio per altri tipi di tumori. Spesso le regioni
delete dei cromosomi delle cellule tumorali contengono geni oncosoppressori che
codificano per proteine fondamentali che controllano la proliferazione cellulare.
I cromosomi dicromatidici in seguito ad un errato sdoppiamento durante la meiosi o la
mitosi possono formare gli isocromosomi, cromosomi metacentrici i cui bracci sono
uguali sia strutturalmente che geneticamente. Il centromero invece di dividersi secondo
l’asse longitudinale del cromosoma si divide secondo l’asse perpendicolare.
Anche i cromosomi ad anello sono un’anomalia strutturale. Sono dovuti a delle delezioni
terminali ad entrambi i bracci del cromosoma, che si riunisce formando un anello.
L’inversione prevede che, all’intero di uno stesso cromosoma, si formino due fratture e
che il frammento exciso sia reinserito dopo aver effettuato una rotazione di 180°.
Essa può essere pericentrica se comprende il centromero, paracentrica se non lo
comprende.
Gli individui che presentano un’inversione possono non manifestare alcun effetto; tuttavia
potrebbero verificarsi rilevanti complicazioni durante la gametogenesi. Infatti durante la
meiosi i cromosomi omologhi hanno difficoltà di riconoscimento. Si forma un “cappio” per
permettere l’appaiamento tra gli alleli corrispondenti. In caso di crossing over si avranno
quindi gameti vitali (in totale metà, ¼ normali e ¼ portatore di inversione) ma anche
gameti con delezioni (altra metà), non vitali.
La traslocazione è invece lo spostamento di tratti di DNA secondo almeno tre possibilità:
o Traslocazione intracromosomica non reciproca: spostamento di un segmento di
DNA in un’altra zona dello stesso cromosoma
o Traslocazione intercromosomica non reciproca: spostamento di un segmento di
DNA su un cromosoma diverso
o Traslocazione intercromosomica reciproca: scambio di tratti non omologhi tra 2
crom.
Il cromosoma Philadelphia, dal luogo in cui è stato scoperto, è un esempio di
traslocazione reciproca che coinvolge i cromosomi 9 e 22. In particolare il protooncogene abl, in seguito ad uno scambio reciproco, passa dal 9 al 22 sovrapponendosi al
gene bcr. Questo spostamento induce una trasformazione neoplastica che condurrà alla
leucemia mieloide cronica con crescita incontrollata dei mieloblasti (cellule staminali dei
leucociti). In seguito allo spostamento di abl, viene sintetizzata una proteina di fusione che
presenta un’elevata attività tirosin-chinasica.
Un’altra traslocazione reciproca che causa una patologia coinvolge i cromosomi 8 e 14 e
determina il linfoma di Burkitt, un tumore virale che interessa i linfociti B. il proto
oncogene c-myc dall’8 si sposta sul 14, a valle del promotore delle IgG; la conseguenza è
una iperproduzione della proteine Myc che causa la neoplasia.
Una particolare traslocazione è quella robertsoniana, che prevede la fusione del
centromero di due cromosomi acrocentrici non omologhi: si uniranno i due bracci lunghi e i
due bracci corti, formando dei cromosomi “ibridi”. La traslocazione robertsoniana tra i
cromosomi 14 o 15 e il 21 espone ad una alta probabilità di sindrome di Down, in quanto si
forma un cromosoma submetacentrico (i due bracci lunghi) e uno molto piccolo, che si
perde.
In seguito a queste traslocazione, i cromosomi possono segregare in maniera differente:
segregazione alternata,in cui i 2 normali si appaiano e anche i 2 mutati, produce quindi
anche gameti vitali; segregazione adiacente,in cui ogni normale si appaia con un mutato,
produce gameti spesso non vitali; segregazione sbilanciata: porta ad aneuploidia.