07 mutazione e riparazione

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07 mutazione e riparazione

  1. 1. Capitolo 7 Mutazione e riparazione del DNA, ed elementi trasponibilihttp://web.unife.it/progetti/genetica/Guido/index.php?lng=it&p=4 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  2. 2. Domande 7• Da dove viene la variabilità genetica?• Che esperimenti hanno permesso di capire il rapporto fra variabilità e mutazione?• In quanti e quali modi possono avvenire le mutazioni?• Come fa la cellula a riparare i danni al suo DNA?• È tutto nostro il DNA delle nostre cellule?
  3. 3. Schema delle mutazioni in regioni codificanti del genomaFigura 7.1 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  4. 4. Da dove viene la variabilità genetica? Due ipotesi alternative 1. Lamarck: L’ambiente crea variabilità (mutazione diretta)
  5. 5. 2. Darwin: La variabilitàpreesiste all’interazione con ifattori ambientali (mutazionespontanea)
  6. 6. Come provarlo? Colture del batterio Escherichia coli. Crescita in brodo Piastramento di coltura liquido su terreno solido
  7. 7. Se nel terreno di coltura è presente il batteriofago T2, unparassita di E.coli, non si osserva crescita batterica a meno che qualche batterio non abbia acquisito, per mutazione, la resistenza al batteriofago
  8. 8. Mutazione diretta e spontanea hanno conseguenze diversehttp://evilutionarybiologist.blogspot.com/2008/07/this-weeks-citation-classic-fluctuation.html
  9. 9. Se ha ragione Lamarck Se ha ragione Darwin(mutazione diretta, post-adattativa) (mutazione spontanea, pre-adattativa)Ci si attende lo stesso numero di Ci si attendono numeri diversi dicolonie mutanti in ogni esperimento, colonie mutanti nei diversiperché l’esposizione al fattore selettivo esperimenti, perché la resistenza siè stata simultanea in ogni coltura è sviluppata in momenti diversi(varianza = media) (varianza > media)
  10. 10. Luria e Delbrück (1943): Il test di fluttuazione
  11. 11. Joshua e Esther Lederberg (1952):Il replica-plating
  12. 12. Il replica-plating permette di identificare mutantiFigura 7.15 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  13. 13. Lederberg (1952): Il replica-plating e la resistenza al fago T2La mutazione è spontanea, pre-adattativa
  14. 14. Classificazione delle mutazioniA seconda della cellula interessata: somatica – germinaleA seconda dell’entità: puntiforme – genica – cromosomica – genomicaA seconda della loro origine: spontanee – indotteA seconda dell’effetto
  15. 15. Classificazione delle mutazioni puntiformi a seconda del loro effettoFigura 7.3 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  16. 16. Mutazioni nonsenso e loro effetto sulla traduzioneFigura 7.4 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  17. 17. Come avvengono le mutazioni? Quando una base cambia accidentalmente forma tautomerica, ne derivano appaiamenti anomali: T–G C–A C–A T–GFigura 7.6 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  18. 18. Cosa succede quando nella replicazione un appaiamento errato non viene corretto dalla DNA P?Figura 7.7 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  19. 19. Inserzioni e delezioni dovute a ripiegamenti dell’elica stampoFigura 7.8 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  20. 20. Mutageni chimici: Le radiazioni possono danneggiare il DNA, provocando deamminazioneFigura 7.9 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  21. 21. Mutageni fisici: Le radiazioni UV possono provocare la formazione di legami covalenti fra pirimidine adiacenti (generalmente: dimeri di timina) che interrompono la replicazioneFigura 7.10 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  22. 22. Mutageni chimici: il 5-Br-uracileFigura 7.11 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  23. 23. Mutageni chimici: proflavina, acridina, bromuro di etidio (agenti intercalanti)Figura 7.13 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  24. 24. Altri mutageni chimici:Figura 7.12 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  25. 25. Il test di Ames si basa sulla capacità dei mutageni chimici di indurre retromutazione Molte sostanze non sono mutagene di per sé, ma vengono convertite in mutageni dall’azione di enzimi epaticiFigura 7.14 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  26. 26. Le mutazioni che osserviamo sono in sostanza danni alDNA che non sono stati riparati. Molti errori vengonocorretti perché:1. La DNA polimerasi ha un sistema di correzione deglierrori (attività esonucleasica 3’ → 5’)2. Ci sono altri sistemi di riparazione per correzione direttache ripristinano le condizioni iniziali della doppia elica3. Ci sono sistemi di riparazione per escissione cherimuovono la regione danneggiata producendo un gap cheviene in seguito colmato per nuova sintesi di DNA
  27. 27. Riparazione per correzione direttaTramite fotoriattivazione: In vari procarioti ed Eucarioti, dimeri di timinavengono riparati grazie all’enzima fotoliasi, che scinde il dimero grazieall’energia rilasciata da un fotone (λ=320-370 nm). (Nell’uomo esiste unmeccanismo simile, ma non l’enzima fotoliasi).Tramite metiltransferasi: In molti procarioti, l’effetto degli agenti alchilantiviene annullato da un enzima (metilguanina-metiltransferasi) che rimuoveil gruppo metilico dalla guanina
  28. 28. Malattie legate a difetti genetici nella riparazione del DNA Xeroderma pigmentoso Anemia di Fanconi Cancro del colon non poliposico ereditarioFigura 7.18 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  29. 29. Una classe di eventi che modificano ereditariamente il fenotipo, e cioè di mutazioni, è causata dallo spostamento di tratti del DNA da una regione del genoma a un’altra: elementi genetici mobili o trasponibili (spesso indicati come trasposoni). “jumping genes”
  30. 30. Gli elementi genetici mobili sono tratti di DNA che possono spostarsi (= trasporsi) dentro al genoma di una cellula.Due meccanismi di trasposizione: “Copia e incolla”Il DNA viene copiato in untratto di RNA, che si sposta esu cui viene sintetizzatonuovo DNA (solo Eucarioti)“Taglia e incolla”Il DNA viene tagliato e sisposta in un’altra posizione(Eucarioti e procarioti)
  31. 31. Barbara McClintock (1948): “mutazioni instabili” e “jumping genes” nel maisFigura 7.23 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  32. 32. 4563 bp lunghezza variabile “taglia e incolla”Figura 7.24 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  33. 33. La trasposizione ha effetti fenotipici Può inattivare geni, interrompendone la continuità o neutralizzando l’effetto di sequenze regolatrici Può attivare geni, ripristinandone la continuità o rendendo disponibili sequenze regolatriciFigura 7.24 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  34. 34. Gli elementi mobili più semplici sono le sequenze di inserzione (elementi IS) di Escherichia coli circa 800 bp, presente in numerose forme (IS1, IS2…) e in molte copie nel genomaFigura 7.19 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A “Taglia e incolla”
  35. 35. Gli elementi IS iniziano e terminano con sequenze (IR: 9-40 basi) ripetute e invertiteFigura 7.20 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A “Taglia e incolla”
  36. 36. Alcuni elementi IS osservati nei procarioti “Taglia e incolla”
  37. 37. I trasposoni sono elementi mobili di maggiori dimensioni, che contengono più geni (oltre a quello per la trasposasi). Possono avere come ripetizioni invertite due interi elementi ISFigura 7.21 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A “Taglia e incolla”
  38. 38. I meccanismi a “copia e incolla” comprendono l’intervento di un intermedio a RNA L’intermedio a RNA viene sintetizzato grazie a una trascrittasi inversa codificata dai geni contenuti nell’elemento mobileIn questo modo, il numero di elementi mobili nel genoma tende ad aumentare costantemente Nei mammiferi, dal 25% al 40% dei cromosomi è costituito da elementi mobili, che si traspongono generalmente attraverso un intermedio a RNA “Copia e incolla”
  39. 39. I meccanismi a “copia e incolla” comprendono l’intervento di un intermedio a RNA: retrotrasposizioneL’intermedio a RNA viene sintetizzato grazie a una trascrittasi inversa codificata dai geni contenuti nell’elemento mobile Transcription Target RNA Reverse Transcription cDNA IntegrationNei mammiferi, oltre il 25% del genoma è costituito da elementi mobili “Copia e incolla”
  40. 40. Un retrotrasposone: Ty nel lievitoFigura 7.26 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A “Copia e incolla”
  41. 41. Si stima che gli elementi trasponibili rappresentino il 45% del genoma umano “Copia e incolla”
  42. 42. Molti elementi trasponibili degli Eucarioti contengonoregioni del DNA estremamente simili a quelle trovate in virus ad RNA La spiegazione più accettata è che i retrotrasposoni rappresentino copie di genomi virali integrate nel genoma di organismi superiori “Copia e incolla”
  43. 43. La sequenza di un retrotrasposone può inserirsi in una regione codificante, causando una serie di possibili conseguenze “Copia e incolla”
  44. 44. Sintesi 07• Le mutazioni sono cambiamenti ereditari della sequenza del DNA• Si possono classificare le mutazioni in base alle cellule interessate, all’entità del cambiamento, alla loro origine e alle loro conseguenze sul fenotipo• Gli esperimenti di Luria e Delbrück e di Lederberg hanno dimostrato che la mutazione è spontanea e preadattativa• Le mutazioni possono insorgere per un errato appaiamento in fase di replicazione del DNA, o per danni al DNA causati da fattori chimici e fisici• Nella cellula esistono meccanismi per la riparazione del DNA• Una particolare classe di mutazioni è dovuta al taglio o alla copia (tramite intermedi a RNA) di tratti di DNA, gli elementi mobili, che vengono poi trasposti in un’altra posizione• I retrotrasposoni contengono una trascrittasi inversa e sono evolutivamente imparentati con i retrovirus

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