Il capitolo esplora la mutazione e la riparazione del DNA, analizzando le origini della variabilità genetica e i meccanismi attraverso cui avvengono le mutazioni. Si evidenziano esperimenti storici, come quelli di Luria e Delbrück e di Lederberg, che supportano l'idea della mutazione spontanea e pre-adattativa. Inoltre, si discute l'esistenza di elementi trasponibili nel genoma e i loro effetti fenotipici, sottolineando l'importanza dei sistemi di riparazione del DNA nella cellula.

1. Capitolo 7
Mutazione e riparazione del DNA,
ed elementi trasponibili
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
http://www.guidobarbujani.it/index.php/1-genetica

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. Figura 7.1
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Schema delle mutazioni in regioni codificanti del genoma

4. 1. Lamarck: L’ambiente crea
variabilità (mutazione diretta)
Due ipotesi alternative
Da dove viene la variabilità genetica?

5. 2. Darwin: La variabilità preesiste
all’interazione con i fattori
ambientali (mutazione
spontanea)

6. Come provarlo? Colture del batterio Escherichia coli.
Crescita in brodo di
coltura liquido
Piastramento
su terreno
solido

7. Se nel terreno di coltura è presente il batteriofago T2, un parassita di
E.coli, non si osserva crescita batterica
a meno che qualche batterio non abbia acquisito, per mutazione, la
resistenza al batteriofago

8. http://evilutionarybiologist.blogspot.com/2008/07/this-weeks-citation-classic-fluctuation.html
Mutazione diretta e spontanea hanno conseguenze diverse

9. Se ha ragione Lamarck
(mutazione diretta, post-adattativa)
Se ha ragione Darwin
(mutazione spontanea, pre-adattativa)
Ci si attende lo stesso numero di colonie
mutanti in ogni esperimento, perché
l’esposizione al fattore selettivo è stata
simultanea in ogni coltura (varianza =
media)
Ci si attendono numeri diversi di
colonie mutanti nei diversi esperimenti,
perché la resistenza si è sviluppata in
momenti diversi (varianza > media)

10. Luria e Delbrück (1943): Il test di fluttuazione

11. Joshua e Esther Lederberg (1952): Il
replica-plating

12. Figura 7.15
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Il replica-plating
permette di
identificare mutanti

13. Lederberg (1952): Il
replica-plating e la
resistenza al fago T2
La mutazione è spontanea, pre-adattativa

14. Classificazione delle mutazioni
A seconda della cellula interessata:
somatica – germinale
A seconda dell’entità:
puntiforme – genica – cromosomica – genomica
A seconda della loro origine:
spontanee – indotte
A seconda dell’effetto

15. Figura 7.3
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Classificazione delle
mutazioni puntiformi a
seconda del loro effetto

16. Figura 7.4
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Mutazioni nonsenso e loro effetto sulla traduzione

17. Figura 7.6
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Come avvengono le
mutazioni? Quando
una base cambia
accidentalmente
forma tautomerica, ne
derivano appaiamenti
anomali:
T – G C – A
C – A T – G

18. Figura 7.7
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Cosa succede quando nella replicazione un appaiamento
errato non viene corretto dalla DNA P?

19. Figura 7.8
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Inserzioni e delezioni dovute a ripiegamenti dell’elica stampo

22. Figura 7.9
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Mutageni chimici: Le radiazioni possono danneggiare il
DNA, provocando deamminazione

23. Figura 7.10
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Mutageni fisici: Le radiazioni UV possono provocare la
formazione di legami covalenti fra pirimidine adiacenti
(generalmente: dimeri di timina) che interrompono la
replicazione

24. Figura 7.11
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Mutageni chimici: il 5-Br-uracile

25. Figura 7.13
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Mutageni chimici:
proflavina, acridina,
bromuro di etidio
(agenti intercalanti)

26. Figura 7.12
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Altri mutageni
chimici:

27. Figura 7.14
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
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 epatici

29. Scally and Durbin (2012) Nature Rev Genet 13: 745-753

30. Le mutazioni che osserviamo sono in sostanza danni al DNA
che non sono stati riparati. Molti errori vengono corretti
perché:
1. La DNA polimerasi ha un sistema di correzione degli errori
(attività esonucleasica 3’ → 5’)
2. Ci sono altri sistemi di riparazione per correzione diretta che
ripristinano le condizioni iniziali della doppia elica
3. Ci sono sistemi di riparazione per escissione che rimuovono la
regione danneggiata producendo un gap che viene in seguito colmato
per nuova sintesi di DNA

31. Riparazione per correzione diretta
Tramite fotoriattivazione: In vari procarioti ed Eucarioti, dimeri di timina
vengono riparati grazie all’enzima fotoliasi, che scinde il dimero grazie all’energia
rilasciata da un fotone (λ=320-370 nm). (Nell’uomo esiste un meccanismo simile,
ma non l’enzima fotoliasi).
Tramite metiltransferasi: In molti procarioti, l’effetto degli agenti alchilanti viene
annullato da un enzima (metilguanina-metiltransferasi) che rimuove il gruppo
metilico dalla guanina

32. Figura 7.18
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Malattie legate a difetti genetici nella
riparazione del DNA
Xeroderma pigmentoso
Anemia di Fanconi
Cancro del colon non poliposico ereditario

33. 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”

34. Gli elementi genetici mobili sono tratti di DNA che possono spostarsi
(= trasporsi) dentro al genoma di una cellula.
“Copia e incolla”
Il DNA viene copiato in un tratto
di RNA, che si sposta e su cui
viene sintetizzato nuovo DNA
(solo Eucarioti)
“Taglia e incolla”
Il DNA viene tagliato e si sposta
in un’altra posizione
(Eucarioti e procarioti)
Due meccanismi di trasposizione:

35. Figura 7.23
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Barbara McClintock (1948):
“mutazioni instabili” e
“jumping genes” nel mais

36. Figura 7.24
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
“taglia e incolla”
4563 bp lunghezza variabile

37. Figura 7.24
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
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 regolatrici

38. Figura 7.19
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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
genoma
“Taglia e incolla”

39. Figura 7.20
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Gli elementi IS iniziano e terminano con sequenze (IR: 9-40
basi) ripetute e invertite
“Taglia e incolla”

40. Alcuni elementi IS osservati nei procarioti
“Taglia e incolla”

41. Figura 7.21
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
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 IS
“Taglia e incolla”

42. 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 mobile
In 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”

43. I meccanismi a “copia e incolla” comprendono l’intervento di un
intermedio a RNA: retrotrasposizione
L’intermedio a RNA viene sintetizzato grazie a una trascrittasi
inversa codificata dai geni contenuti nell’elemento mobile
“Copia e incolla”
Target
Integration
Transcription
RNA
cDNA
Reverse Transcription

44. Figura 7.26
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A “Copia e incolla”
Un retrotrasposone: Ty nel lievito

45. Si pensa che gli elementi trasponibili rappresentino il
45% del genoma umano
“Copia e incolla”

46. Molti elementi trasponibili degli Eucarioti contengono
regioni del DNA estremamente simili a quelle trovate in
virus ad RNA
“Copia e incolla”
La spiegazione più accettata è che i retrotrasposoni
rappresentino copie di genomi virali integrate nel
genoma di organismi superiori

47. “Copia e incolla”
La sequenza di un retrotrasposone può inserirsi in una regione
codificante, causando una serie di possibili conseguenze

48. 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