E’ vecchia esperienza che attraverso i suoi errori la Natura ci offre spesso possibilità inattese di intuire i suoi segreti che sarebbero altrimenti impenetrabili

A.Loewy e C. Neuberg

Evoluzione

Selezione naturale

• Nuovi modi di sfruttare efficacemente l’ambiente

• Competizione con le altre specie

• Riprodursi con successo

Variabilitàgenetica

Diversità

La variabilità genetica causa la formazione di nuove specie

I meccanismi fondamentali che provocano variabilità genetica sono:

• Le mutazioni

• La riproduzione sessuale

Le mutazioni sono variazioni della Le mutazioni sono variazioni della

sequenza nucleotidica del DNA. sequenza nucleotidica del DNA.

Possono essere causate da:Possono essere causate da:

•• errori durante la duplicazione del DNAerrori durante la duplicazione del DNA

•• esposizione delle cellule ad agenti fisici o esposizione delle cellule ad agenti fisici o chimici (agenti mutageni)chimici (agenti mutageni)

•• errori durante le fasi di divisione cellulareerrori durante le fasi di divisione cellulare

ClassificazioneClassificazione

Mutazioni genicheMutazioni geniche

Mutazioni cromosomicheMutazioni cromosomiche

Numero di nucleotidi coinvoltiNumero di nucleotidi coinvolti

(1 nucleotide 1 cromosoma)(1 nucleotide 1 cromosoma)

Effetti delle mutazioni geniche

Perdita o Acquisto della funzione

Nessun effetto

Un miglioramento della funzione

A

A

A1

Perdita o Acquisto della funzione

A1

A

A

Nessun effetto sulla proteina

A

A1

A

Un miglioramento della funzione

A – B

A1 – B1

A2 – B2

A1 soluzione ottimaleA2 soluzione indifferente peggiore di A1

B1 soluzione letaleB2 soluzione indifferente

“Il caso e la necessità”

Cicli ripetuti di errori e prove Evoluzione

L’insorgenza delle mutazioni è L’insorgenza delle mutazioni è

identica in tutto il genoma identica in tutto il genoma

????????

Alcune parti del genoma cambiano Alcune parti del genoma cambiano

più facilmente di altre nel corso più facilmente di altre nel corso

dell’evoluzionedell’evoluzione

•• Hot spot di mutazioniHot spot di mutazioni

•• Funzione svolta da una Funzione svolta da una

determinata regione genomicadeterminata regione genomica

Le regioni altamente conservate e Le regioni altamente conservate e

corrispondono a regioni corrispondono a regioni

funzionalmente importanti funzionalmente importanti

•• geni che codificano per proteine o per geni che codificano per proteine o per

RNA essenziali RNA essenziali

•• regioni di regolazioneregioni di regolazione

Rimangono perfettamente

riconoscibili in tutte le specie

viventi

e sono quelli che dobbiamo utilizzare

se vogliamo ricercare relazioni di

parentela tra i diversi organismi

RNA ribosomiale

PROTEIN SEQUENCES ALIGNMENTPROTEIN SEQUENCES ALIGNMENT

Evoluzione molecolareEvoluzione molecolare

ClassificazioneClassificazione

Mutazioni genicheMutazioni geniche

Mutazioni somatiche e germinali

• Extragenica

• Promotore

• Introni

• Siti di splicing

• Sequenza codificante

Localizzazione

CDSCDS

Le conseguenze che una mutazione Le conseguenze che una mutazione

genica avrà sull’organismo dipendono:genica avrà sull’organismo dipendono:

•• Variazione qualitativaVariazione qualitativa

•• Variazione quantitativaVariazione quantitativa

Le mutazioni geniche che determinanoLe mutazioni geniche che determinano

una variazione una variazione quantitativaquantitativa o o qualitativaqualitativa

di una proteina possono causare la di una proteina possono causare la comparsa dicomparsa di

un fenotipo patologicoun fenotipo patologico

Mutazioni puntiformiMutazioni puntiformi

• Sostituzione (missense mutations; nonsense mutations)

• Inserzione o Delezione (frameshift mutations)

DNA

TransizioniPurina-purina o pirimidina – pirimidina

TransversioniPurina – pirimidina o pirimidina - purina

SostituzioniSostituzioni

La sostituzione di un nucleotide all’interno La sostituzione di un nucleotide all’interno della CDS può causare:della CDS può causare:

•• La comparsa di un codone che codifica per lo La comparsa di un codone che codifica per lo stesso aminoacido;stesso aminoacido;

•• La comparsa di un codone che codifica per un La comparsa di un codone che codifica per un diverso aminoacidodiverso aminoacido

•• La comparsa di un segnale di STOPLa comparsa di un segnale di STOP

Inserzione o Inserzione o DelezioneDelezione

L’aggiunta o la rimozione di 1 o 2 nucleotidi

provoca lo scivolamento della corretta cornice

di lettura (Frameshift).

Di solito si ha l’interruzione della sintesi

proteica in quanto si vengono a trovare nella

nuova cornice di lettura numerosi segnali di

arresto.

11_14.jpg

11_11_2.jpg

Alterazioni dello splicing

11_12.jpg

5’ UTR

3’ UTR

Effetto di alcune mutazioni sull’mRNA e sulla proteina

Mutazioni dinamiche

Espansioni di triplette

11_05.jpg

11_05_2.jpg

X fragileX fragile(309550309550)

Frequenza: 1/4000 maschi.

Ereditarietà: Legata al cromosoma X. Malattia causata da mutazione

dinamica.

Genetica: Nel 1991 è stato identificato il gene responsabile. La

mutazione è caratterizzata dall’amplificazione di un tratto di DNA

costituito da una specifica sequenza ripetuta (CGG). Nei soggetti

normali è presente un numero di ripetizioni variabili da 6 a 55.

Esistono due differenti tipi di mutazione: la premutazione (56-200)

e la mutazione completa (>200). La probabilità di espansione

aumenta con le dimensioni della premutazione e quindi con il

passare delle generazioni (Paradosso di Sherman).

Diagnosi: La diagnosi molecolare (Southern blot) permette di

individuare anche gli individui con la premutazione.

Malattia di Huntington(143100)

Frequenza: 5-10/100.000 nati vivi

Ereditarietà : autosomica dominante. Malattia causata da mutazione dinamica

Genetica: Il gene responsabile della malattia ed il suo prodotto proteico sono stati identificati. Il gene definito Intersting Transcript (IT-15), è localizzato sul braccio corto del cromosoma 4 (4p16.3). La malattia è associata all’amplificazione patologica di una specifica sequenza ripetuta (CAG) nell’allele mutato. Nella popolazione normale la tripletta è ripetuta 10-30 volte. Nei pazienti affetti il numero di ripetizioni varia da 36 a più di 100. Un numero intermedio di espansioni 30-35 volte, è considerato una premutazione.

Diagnosi: Il test genetico si basa sulla determinazione del numero di espansione della tripletta.

Mutazioni - Polimorfismi

Con il termine polimorfismo intendiamo delle

variazioni della sequenza nucleotidica che si

presentano con una frequenza maggiore

dell’1%

Informally, the term mutation is often used to

refer to a harmful genome variation that is

associated with a specific human disease, while

the word polymorphism implies a variation that

is neither harmful nor beneficial.

Mutazioni - Polimorfismi

Polimorfismi

Polimorfismi di lunghezza dei frammenti di restrizione (RFLP)

Polimorfismi di un singolo nucleotide (SNP)

Ripetizioni corte in tandem (STR)

Numero variabile di ripetizioni in tandem (VNTR)

Year Disease MIM n Location Gene Chromosome abnormality 1986 Duchenne muscular

dystrophy 310200 Xp21.3 DMD (a) del(X)(p21.3)

(b) t(X;21)(p21.3:p13) Retinoblastoma 180200 13q14 RB del(13)(q13.1q14.5) 1989 Cystic fibrosis 219700 7q31 CFTR None 1990 Neurofibromatosis 1 162200 17q11.2 NF1 Balanced translocations t(1;17)(p34.3:q11.2) t(17;22)(q11.2:q11.2) Wilms' tumor 194070 11p13 WT1 del(11)(p14p13) 1991 Aniridia 106210 11p13 PAX6 t(4;11)(q22;p13) del(11)(p13) Familial polyposis coli 175100 5q21 APC del(5)(q15q22) Fragile-X syndrome 309550 Xq27.3 FMR1 FRAXA fragile site Myotonic dystrophy 160900 19q13.3 DMPK None 1993 Huntington's disease 143100 4p16 HD None Tuberous sclerosis 2 191092 16p13 TSC2 Microdeletions in candidate

region von Hippel-Lindau disease 193300 3p25 VHL Microdeletions in candidate

region 1994 Achondroplasia 100800 4p16 FGFR3 None Early-onset breast/ovarian

cancer 113705 17q21 BRCA1 None

Polycystic kidney disease 173900 16p13.3 PKD1 t(16;22) (p13.3;q11.21) 601313 1995 Spinal muscular atrophy 253300 5q13 SMN1 None 600354

Sono stati utilizzati inizialmente come marcatori genetici

Associazione tra un fenotipo patologico ed un polimorfismo

Polimorfismi

SNPsare very common variationsscattered throughout the genome. Because they are fairly easy tomeasure and are also remarkablystable, being inherited fromgeneration to generation, they have become useful as gene "markers.” If a particular SNP is located near a gene, then every time that gene ispassed from parent to child, the SNP is passed on also. This enables researchers to assume that when they find the same SNP in a group of individual genomes, the associated gene is present also.

Variations Causing Harmful Changes

Variations Causing No Changes

Variations Causing Harmless Changes

However, scientists are now learning that

many polymorphisms actually do affect a

person's characteristics, though in more

complex and sometimes unexpected ways.

Variations Causing Latent ChangesFinally, there are geneticvariations that have "latent" effects. These variations, found in coding and regulatory regions, are not harmful on their own, and the change in each gene only becomes apparent under certain conditions. Such changes may eventuallycause some people to be at higher risk for cancer, but onlyafter exposure to certainenvironmental agents.They may also explain why one person responds to a drugtreatment while another doesnot.

Differente risposta a specifiche terapie

The genome of each individual contains itsown pattern of SNPs.

Thus, each individual has his or her ownSNP profile.

When scientists look at all the patterns froma large number of people they can organize

them into groups.

Individual SNP Profiles

SNPs occur in both coding and noncoding regions and can cause silent, harmless, harmful, or latent effects.

SNPs can be markers for cancer.

SNPs may also be involved in the different levels of individual cancer risk observed.

In the future, SNPs databases may be used to improvecancer diagnosis and treatment planning.

MUTAZIONI CROMOSOMICHE

Di numero(Aneuploidie – Monosomie – Trisomie)

Di struttura(Delezioni, inserzioni, traslocazioni, inversioni)

Pianto simile al miagolio di un gatto, diverse anomalie del viso, severo ritardo mentale

Cri du chat5p-

Astenia ed accrescimento lento nei neonati

Obesità ed attacchi compulsivi di fame nei bambini e negli adulti

Sindrome di Prader-Willi

15q-

Tumore dell’occhioRetinoblastoma13q-

Tumore renaleTumore di Wilms

11q-

FenotipoSindromeDelezione

Delezioni del braccio corto del cromosoma5

02_20.jpg

Cromosomi acrocentrici 13, 14, 15, 21,22

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Duplicazioni o delezioni

Acquisto o Perdita di materiale genetico

Di solito comportano alterazioni fenotipiche

Inversioni o traslocazioni

Trasferimento di materiale genetico

Spesse volte non comportano alterazioni fenotipiche ma possono causare infertilità

Disomia uniparentale

Sindrome di Prader-Willi

Sindrome di Angelman

Entrambi i cromosomi (15) sono ereditati dalla madre

Entrambi i cromosomi sono ereditati dal padre

imprinting genomico

In alcuni casi l’espressione di alcuni geni può variare secondo se sono stati ereditati per via

paterna o materna. Questa espressione differenziale viene definita “imprinting

genomico”

L’analisi delle mutazioni permette di:

• Identificare gli individui in fase presintomatica

• Individuare gli eterozigoti a rischio di trasmettere una malattia genetica

• Effettuare la diagnosi prenatale

• Comprendere le basi genetiche delle malattie complesse più comuni