Fondamenti di genetica

  - classificazione delle mutazioni

  - mutazioni spontanee e indotte

     Il termine "mutazione" è stato coniato da Gustav de Vries (1901) per descrivere i cambiamenti genetici casuali.

Un processo di mutazione indotto è il verificarsi di cambiamenti ereditari sotto l'influenza dell'azione diretta di fattori ambientali esterni e interni. Il verificarsi di mutazioni senza cause stabilite è chiamato processo mutazionale spontaneo.

La variabilità mutazionale è causata sia dall'impatto dei fattori ambientali sull'organismo sia dal suo stato fisiologico.

 La frequenza delle mutazioni dipende da

- dal genotipo dell'organismo

- fase dell'ontogenesi

- sesso ontogenetico;

- stadio della gametogenesi;

- cicli mitotici e meiotici dei cromosomi;

- struttura chimica dei singoli cromosomi, ecc.
 

  Proprietà delle mutazioni:

- Le mutazioni si verificano all'improvviso, in modo simile a un salto;

- Le mutazioni sono ereditate, cioè passano di generazione in generazione;

- le mutazioni non sono dirette - qualsiasi locus (parte di un cromosoma) può subire mutazioni, causando cambiamenti sia nei tratti minori che in quelli vitali;

- le stesse mutazioni possono verificarsi ripetutamente;

- Le mutazioni possono essere benefiche e dannose, dominanti e recessive.

   Classificazione delle mutazioni:

     Le mutazioni possono essere raggruppate - classificate in base alla natura della loro manifestazione, al luogo o al livello in cui si verificano.

     Le mutazioni sono classificate in base alla natura della loro manifestazione come dominanti e recessive. La maggior parte di esse è recessiva e non compare negli eterozigoti. Di norma, le mutazioni sono dannose perché interrompono un sistema ben equilibrato di trasformazioni biochimiche. Le mutazioni dominanti si manifestano immediatamente negli organismi omo ed eterozigoti e nella maggior parte dei casi questi individui non sono vitali e muoiono nelle prime fasi dell'ontogenesi. Le mutazioni che influenzano drasticamente la vitalità, bloccando parzialmente o completamente lo sviluppo, sono dette semi-letali e incompatibili con la vita - letali. Nell'uomo, tali mutazioni includono il gene recessivo dell'emofilia.

     Mutazioni per luogo di origine. Le mutazioni che si verificano nei tessuti somatici sono chiamate mutazioni somatiche. Le cellule somatiche costituiscono la popolazione che si forma durante la riproduzione asessuata (divisione cellulare). Le mutazioni somatiche determinano la diversità genotipica dei tessuti, spesso non vengono ereditate e sono limitate all'individuo in cui si sono verificate. Le mutazioni somatiche si verificano nelle cellule diploidi, quindi si manifestano solo nei geni dominanti o nei geni recessivi, ma allo stato omozigote. Quanto più precocemente si verifica una mutazione nell'embriogenesi umana, tanto più grande è l'area di cellule somatiche che si discosta dalla norma. Al contrario, più tardi nel processo di sviluppo un organismo è esposto a un effetto mutazionale, più piccola è l'area di tessuto che si forma dalla cellula mutata. Ad esempio, il colore dell'iride - segmenti bianchi o marroni su un'iride blu - è causato da una mutazione somatica. Si ritiene che le mutazioni somatiche provochino una degenerazione cancerosa. La crescita maligna è causata da agenti cancerogeni, tra i quali i più negativi sono le radiazioni penetranti e i composti chimici attivi (sostanze).Sebbene le mutazioni somatiche non siano ereditarie, riducono la capacità riproduttiva dell'organismo in cui si sono verificate.Le mutazioni che si verificano nei gameti o nelle cellule da cui si formano sono chiamate mutazioni generative o terminali. Quanto più precocemente si verifica una mutazione nelle cellule germinali, tanto maggiore sarà la proporzione di cellule germinali che porteranno la nuova mutazione. Il limite massimo della proporzione di cellule che conterranno una mutazione indotta o spontanea è del 50%. Si ritiene che il maggior numero di mutazioni nelle cellule germinali si verifichi negli ovociti. Poiché gli spermatogoni sono sottoposti a una divisione costante, tra di essi può verificarsi una selezione contro le mutazioni che causano effetti dannosi, e la frequenza delle mutazioni diminuisce al momento della pubertà. La donna, invece, nasce con quasi tutti i cambiamenti mutanti e non c'è una selezione mitotica parallela nella linea delle cellule germinali. Gli ovociti non solo non subiscono mitosi, ma rimangono inattivi per decenni fino a quando non diventano ovuli. Durante questo periodo, gli ovociti invecchiano e diventano sproporzionatamente suscettibili alle mutazioni spontanee. Le cellule germinali sono maggiormente colpite da cesio-137, stronzio-90 e carbonio-14. Le mutazioni generative vengono trasmesse alle generazioni successive durante la riproduzione sessuale. Le mutazioni dominanti compaiono già nella prima generazione, mentre quelle recessive solo nella seconda e nelle successive, con il passaggio allo stato omozigote.

      Mutazioni per luogo di origine. Le mutazioni che si verificano nei tessuti somatici sono chiamate mutazioni somatiche. Le cellule somatiche costituiscono la popolazione che si forma durante la riproduzione asessuata (divisione cellulare). Le mutazioni somatiche determinano la diversità genotipica dei tessuti, spesso non vengono ereditate e sono limitate all'individuo in cui si sono verificate. Le mutazioni somatiche si verificano nelle cellule diploidi, quindi si manifestano solo nei geni dominanti o nei geni recessivi, ma allo stato omozigote. Quanto più precocemente si verifica una mutazione nell'embriogenesi umana, tanto più grande è l'area di cellule somatiche che si discosta dalla norma. Al contrario, più tardi nel processo di sviluppo un organismo è esposto a un effetto di mutazione, più piccola è l'area di tessuto che si forma dalla cellula mutata. Ad esempio, il colore dell'iride - segmenti bianchi o marroni su un'iride blu - è causato da una mutazione somatica. Si ritiene che la conseguenza delle mutazioni somatiche sia la degenerazione cancerosa. La crescita maligna è causata da agenti cancerogeni, tra i quali i più negativi sono le radiazioni penetranti e i composti chimici attivi (sostanze).Sebbene le mutazioni somatiche non siano ereditarie, riducono la capacità riproduttiva dell'organismo in cui si sono verificate.Le mutazioni che si verificano nei gameti o nelle cellule da cui si formano sono chiamate mutazioni generative o terminali. Quanto più precocemente si verifica una mutazione nelle cellule germinali, tanto maggiore sarà la proporzione di cellule germinali che porteranno la nuova mutazione. Il limite massimo della proporzione di cellule che conterranno una mutazione indotta o spontanea è del 50%. Si ritiene che il maggior numero di mutazioni nelle cellule germinali si verifichi negli ovociti. Poiché gli spermatogoni sono sottoposti a una divisione costante, tra di essi può verificarsi una selezione contro le mutazioni che causano effetti dannosi, e la frequenza delle mutazioni diminuisce al momento della pubertà. La donna, invece, nasce con quasi tutti i cambiamenti mutanti e non c'è una selezione mitotica parallela nella linea delle cellule germinali. Gli ovociti non solo non subiscono mitosi, ma rimangono inattivi per decenni fino a quando non diventano ovuli. Durante questo periodo, gli ovociti invecchiano e diventano sproporzionatamente suscettibili alle mutazioni spontanee. Le cellule germinali sono maggiormente colpite da cesio-137, stronzio-90 e carbonio-14. Le mutazioni generative vengono trasmesse alle generazioni successive durante la riproduzione sessuale. Le mutazioni dominanti compaiono già nella prima generazione, mentre quelle recessive solo nella seconda e nelle successive, con il passaggio allo stato omozigote.

      Mutazioni in base alla natura del cambiamento nel materiale ereditario:

1. I cambiamenti causati dalla sostituzione di uno o più nucleotidi all'interno di un singolo gene sono chiamati mutazioni geniche o puntiformi. Esse causano cambiamenti sia nella struttura delle proteine sia nell'attività funzionale di una molecola proteica. 

2. I cambiamenti nella struttura dei cromosomi sono chiamati mutazioni o aberrazioni cromosomiche. Tali mutazioni possono verificarsi in seguito alla perdita di una parte di un cromosoma (delezione), al raddoppio di una parte di un cromosoma (duplicazione), al distacco e alla rotazione di una parte di un cromosoma di 180° (inversione). Se il cambiamento interessa parti vitali del gene, tale mutazione porterà alla morte. Per esempio, nell'uomo la perdita di una piccola sezione del 21° cromosoma causa una grave malattia del sangue, la leucemia acuta. In alcuni casi, una sezione strappata di un cromosoma può unirsi a un cromosoma non omologo (traslocazione), il che porterà a una nuova combinazione di geni e a cambiamenti nella loro interazione.

3. I cambiamenti nel cariotipo che sono multipli o non multipli del numero aploide di cromosomi sono chiamati mutazioni genomiche. A seguito di un errore di accoppiamento di una coppia di cromosomi omologhi durante la meiosi, uno dei gameti risultanti contiene un cromosoma in meno e l'altro in più rispetto alla normale serie aploide. La fusione di un gamete anomalo con un gamete aploide normale durante la fecondazione porta alla formazione di uno zigote con un numero di cromosomi inferiore o superiore al set diploide tipico della specie.

    Mutazioni somatiche

- gene

- genomico

- aberrazioni cromosomiche 

     Le mutazioni somatiche sono cambiamenti ereditabili nelle cellule somatiche che si verificano in diverse fasi dello sviluppo di un individuo. Spesso non vengono trasmesse per via ereditaria, ma rimangono finché l'organismo colpito dalla mutazione è in vita.

     Le aberrazioni genomiche, cromosomiche e geniche nelle cellule somatiche sono il risultato di fattori mutageni. Nell'uomo, questi sono i fattori eziologici delle malattie ereditarie. Le malattie causate da mutazioni genomiche (cambiamenti nel numero dei cromosomi) e cromosomiche (cambiamenti nella struttura dei cromosomi) sono chiamate malattie cromosomiche. Una variazione del numero di cromosomi è determinata da un raddoppio o da una riduzione dell'intero set di cromosomi. Questo porta alla poliploidia o all'aploidia (rispettivamente). L'aggiunta o la delezione di uno o più cromosomi porta all'eteroploidia o all'aneuploidia. I cambiamenti nella struttura dei cromosomi sono riarrangiamenti o aberrazioni. Ciò altera l'equilibrio dell'insieme dei geni e il normale sviluppo dell'organismo. Come risultato dello squilibrio cromosomico, l'embrione o il feto muore nell'utero e si verificano malformazioni congenite. Quanto maggiore è la quantità di materiale cromosomico interessato dall'effetto mutazionale, tanto più precoce sarà la comparsa della malattia nell'ontogenesi e tanto più grave sarà l'alterazione dello sviluppo fisico e mentale dell'individuo. Una caratteristica dello squilibrio cromosomico è la molteplicità di malformazioni di vari organi e sistemi.

     Le malattie cromosomiche rappresentano circa lo 0,5-1% di tutte le malattie ereditarie nell'uomo.

     Le mutazioni geniche o puntiformi sono il risultato di cambiamenti molecolari a livello del DNA. Esse causano malattie genetiche nell'uomo. Nell'uomo sono stati descritti i seguenti tipi di mutazioni geniche che portano allo sviluppo di malattie ereditarie: nonsense, nonsense, frameshift, delezioni, inserzioni, disturbi dello splicing e aumento del numero (espansione) delle ripetizioni trinucleotidiche. Le mutazioni delle regioni trascritte (che determinano la sequenza di aminoacidi nella molecola proteica da sintetizzare) portano alla sintesi di un prodotto anomalo. Le mutazioni delle regioni trascritte possono portare a una diminuzione della velocità di sintesi delle proteine.

      Fenotipicamente, le mutazioni geniche vengono rilevate a livello molecolare, cellulare, tissutale e d'organo. Il numero di malattie geniche è di circa 3500-4500. Le mutazioni geniche si dividono in monosito e multisito. Le mutazioni a sito singolo comportano cambiamenti in un singolo sito (regione), mentre le mutazioni multisito interessano diversi siti di un locus genico.   Esistono mutazioni geniche dirette e reversibili. Le mutazioni dirette sono mutazioni che inattivano i geni di tipo selvatico e causano la comparsa di un tipo mutante. Le mutazioni inverse sono cambiamenti della forma a monte rispetto alla forma mutante.

La maggior parte dei geni è resistente alle mutazioni, ma alcuni geni sono soggetti a mutazioni molto spesso.

     Le mutazioni somatiche causano una diversità genotipica nei tessuti di un individuo e per lo più non vengono ereditate attraverso la riproduzione sessuale. Nella riproduzione asessuata, se un organismo si sviluppa da una singola cellula o da un gruppo di cellule in cui si è verificata una mutazione, tali cambiamenti possono essere trasmessi alla prole. Le mutazioni somatiche sono utilizzate negli organismi che si riproducono vegetativamente. Le mutazioni somatiche sono alla base della selezione delle piante coltivate, in particolare degli agrumi.