Le Mutazioni - definizione e agenti mutageni

Le Mutazioni - definizione e agenti mutageni

Definizione

Le mutazioni sono alterazioni della sequenza del DNA che possono essere ereditate geneticamente.
Dato che una mutazione va a colpire il genoma di individui funzionanti e più o meno adattati al loro ambiente, la maggior parte delle mutazioni che stravolgono la funzionalità delle proteine, sono deleterie e danneggiano la funzionalità delle cellule coinvolte, a causa della perdità di funzionalità delle proteine colpite.

C'è un lato positivo nelle mutazioni?

Sì. Ed è stato fondamentale per la ricchezza della biodiversità
Le mutazioni sono il serbatoio genetico su cui opera l'evoluzione. 
Il processo evolutivo si basa sulla selezione degli individui più adatti.
Non si potrebbe operare nessuna selezione su individui tutti geneticamente identici e con le stesse identiche risposte e funzionalità.

Le mutazioni sono inevitabili?

Sì. le mutazioni sono inevitabili. Per diversi motivi.
1) Il processo repicativo del DNA, per quanto sia operato da un omplesso enzimatico, la DNA polimerasi III, estremamente pignolo, ha un tasso di errore di 1 base ogni 10 milioni, comporta sempre la generazione di alcuni appaiamenti sbagliati, mismatch, durante la costruzione del nuovo filamento.
2) Ma soprattutto il DNA può danneggiarsi nel corso del tempo!
Può accadere perché le basi azotate, come tutti i composti chimici, non sono permanentemente stabili. Ma soprattutto perché esistono molti fattori chimici, fisici e biologici in grado di danneggiare a vario livello il DNA, dall'alterazione chimica di una singola base, alla rottura del doppio filamento fino allo spostamento di settori di DNA da una regione a un'altra dei cromosomi.
3) Abbiamo molti complessi enzimatici che si occupano di riparare il DNA. In molti casi riescono a riconoscere gli appaiamenti sbagliati tra basi e a ripristinare la sequenza originaria.
In altri casi, quando c'è una perdita di informazione su entrambi i filamenti e non hanno alcuna possibilità di "leggere" la sequenza corretta, riparano comunque il DNA ma generano essi stessi un cambiamento nella sequenza.

Le mutazioni sono ereditarie?

Le mutazioni possono essere ereditarie ma solo se colpiscono le cellule giuste. 
Le cellule che costituiscono i tessuti e gli organi del nostro corpo si dividono in due gruppi già nelle prime fasi dello sviluppo embrionale, con destini completamente diversi.

CELLULE SOMATICHE	CELLULE GERMINALI
Le cellule somatiche sono la maggior parte delle cellule del nostro corpo e ne costruiscono tutti i tessuti, gli organi e gli apparati.	Le cellule germinali sono confinate soltanto in un distretto del nostro corpo: Le Gonadi
Nel nostro corpo abbiamo 4 tipi essenziali di tessuti: Tessuto epiteliale, tessuto nervoso, tessuto connettivo e tessuto muscolare, che interagiscono tra loro e formano gli organi. All'interno dei 4 tessuti possiamo trovare circa 200 tipi diverse di cellule che conferiscono al nostro corpo la capacità di svolgere un ventaglio di funzioni estremamente vasto. Queste cellule si moltiplicano per MITOSI	All'interno delle gonadi gruppi di cellule vanno incontro a un destino completamente diverso. Nelle ovaie degli individui femminili, in ogni follicolo ovarico, una di queste cellule l'Oogonio, affronterà la meiosi e formerà una cellula uovo aploide. Così pure nei tubuli seminiferi dei testicoli degli individui maschili, lo Spermatogonio, produrrà 4 spermatozoi funzionali. Queste cellule si dividono per MEIOSI
Per cui qualsiasi mutazione che disgraziatamente avviene in una cellula somatica resta confinata al tessuto e organo a cui appartiene. A volte può avere effetti molto deleteri, ad esempio potrebbe rappresentare il punto di partenza per una deriva tumorale, ma spesso non provoca alcun danno e in rarissimi casi può portare a nuove funzioni utili per il vantaggio evolutivo. Per cui:	Per cui qualsiasi mutazione che avvenga in queste cellule viene trasportata dalla cellula uovo o dallo spermatozoo e, nel caso avvenga la fecondazione, viene incorporata nello Zigote, la prima cellula del nuovo individuo. Quindi il nuovo individuo che nascerà dalla moltiplicazione di quello Zigote porterà quella mutazione in TUTTE LE CELLULE DEL SUO CORPO. Per cui:
Le MUTAZIONI SOMATICHE possono interessare la funzionalità di un organismo ma NON SI EREDITANO.	Le MUTAZIONI GERMINALI vengono ereditate dai figli, seguendo lo schema della genetica mendeliana: quindi SONO EREDITABILI e possono portare a più o meno gravi MALATTIE GENETICHE.

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Le cause delle mutazioni

Il DNA è complessivamente una molecola molto stabile, ma anche una molecola immensamente grande.
Il DNA umano è costituito da 3,2 miliardi di basi, suddivise in 46 cromosomi, 22 coppie di omologhi e una coppia di cromosomi sessuali, XX nelle femmine, XY nei maschi.
Quindi anche se è molto più stabile dell'RNA è un bersaglio facile da colpire per una mutazione.
Come abbiamo detto sopra molte mutazioni sono spontanee, derivano da inefficienza inevitabile degli apparati di replicazione e riparazione ma anche da una instabilità intrinseca delle basi azotate, che, come per tutte le altre sostanze chimiche possono andare incontro a delle modificazioni.


1- Le modificazioni chimiche delle basi

Ogni base del DNA può essere modificata chimicamente da agenti chimici diretti, agenti ossidanti, denitrificanti, o da radicali liberi che sono stati generati nella cellula da diverse sostanze chimiche.

Come esempio prendiamo un singolo caso: la deaminazione della Citosina.  

La Citosina è una delle tre purine normalmente presenti negli acidi nucleici, le altre due sono la Timina (nel DNA) e l'Uracile (nell'RNA).

Le tre basi azotate sono molto simili tra loro
 

CITOSINA: ha un gruppo amminico legato al carbonio 4, un N in posizione 3 con una coppia di elettroni, un C=O in posizione 2 con 2 coppie di elettroni.
Può quindi fare 3 legami idrogeno con la GUANINA. (vedi figura sotto)
URACILE: ha un C=O in posizione 4, un N-H in posizione 3 e un C=O in posizione 2
TIMINA: ha un C=O in posizione 4, un N-H in posizione 3 e un C=O in posizione 2
Entrambe possono fare 2 legami idrogeno con l'ADENINA. (vedi figura sotto)

 

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in questo video sono spiegati in dettaglio tutti i legami presenti nel DNA

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La Citosina però può andare incontro a un processo di deaminazione spontanea o indotta da reagenti chimici che danneggiano il DNA che la trasforma praticamente in URACILE!

Durante la duplicazione quindi la DNA polimerasi III appaia quindi il neoformato Uracile con l'Adenina e non con la Guanina per cui inserisce una mutazione in quella posizione che viene trasmessa alle cellule figlie.

Sono presenti nella cellula dei sistemi di riparazione che possono riconoscere l'URACILE neoformato accoppiato con l'ADENINA e tagliarlo via ricostruendo il filamento di DNA danneggiato. Però nelle cellule in attiva divisione quest'anomalia può comunque sfuggire e perpetuare l'errore nelle cellule figlie.
NB: se l'Uracile di un filamento è anomalo in quanto l'Uracile non è comunemente presente nel DNA ma nell'RNA, l'ADENINA nell'altro filamento è una BASE LEGGITTIMA. Per cui dopo due duplicazioni la mutazione è FISSATA nel DNA e si perpetuerà in tutte le cellule figlie.

AAACAGCGCGAAA TTTGTCGCGCTTT	Mutazione per deaminazione	AAACAGUGCGAAA TTTGTCGCGCTTT	mancata riparazione
Prima duplicazione		AAACAGUGCGAAA TTTGTCACGCTTT	cellula figlia con appaiamento con U
		AAACAGCGCGAAA TTTGTCGCGCTTT	cellula figlia con DNA normale non porta la mutazione
seconda duplicazione		AAACAGUGCGAAA TTTGTCACGCTTT	Mutazione che può ancora essere riconosciuta
		AAACAGTGCGAAA TTTGTCACGCTTT	Mutazione incorporata stabilmente irriconoscibile dall'apparato di riparazione

2-Gli Agenti intercalanti

Gli agenti intercalanti sono delle molecole che hanno tre caratteristiche comuni: sono piatte, idrofobe e generalmente ad anello. Hanno quindi la forma e le proprietà chimico-fisiche adatte per infilarsi tra le basi del DNA.
La doppia elica viene leggermente deformata e un filamento o entrambi, nel punto in cui si è inserito l'intercalante, si comportano come se avessero una base in più, che però ovviamente non può essere riconosciuta dalla DNA polimerasi.
Per cui, quando la polimerasi arriva in quel punto, non avendo alcun riferimento, inserisce una base aggiuntiva sul filamento in costruzione producendo errori.
Alte dosi di intercalanti possono inficiare del tutto il processo replicativo mentre inserimenti casuali possono provocare un tipo di mutazioni estremamente pericolose:

Le mutazioni del modulo di lettura o Frame-Shift.

Queste mutazioni alterano la sequenza di lettura del DNA di fatto spostando da quel punto in poi la lettura delle triplette di una o due posizioni. Dal punto dell'inserzione quindi, la proteina avrà una serie di aminoacidi completamente diversi dal normale e potrebbe comparire un codone di STOP normalmente non presente in quel modulo di lettura. 

Sono agenti intercalanti i derivati degli idrocarburi aromatici, ad esempio il benzopirene e piccole molecole idrofobe come il Bromuro d'etidio, un normale colorante usato nelle pratiche di laboratorio, che bisogna sempre manipolare con le dovute precauzioni. 

Bromuro d'etidio- i quattro anelli sono aromatici e piatti

Paradossalmente proprio per la loro capacità di alterare il DNA, soprattutto in associazione con il processo replicativo, alcuni agenti intercalanti possono anche essere usati per attaccare cellule in attiva divisione, come quelle di alcuni parassiti e cellule tumorali, particolarmente attivi nella proliferazione cellulare, che vengono danneggiate a causa dei continui errori inseriti nel DNA. 
Rappresentano quindi entrambe le facce della medaglia, possono essere cancerogeni da un lato e curativi dall'altro. 

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2- Le radiazioni 

Le radiazioni elettromagnetiche sono dei potenti agenti mutageni.
Le radiazioni dello spettro elettromagnetico veicolano energia nello spazio: la quantità di energia veicolato aumenta proporzionalmente alla loro frequenza e diminuisce proporzionalmente alla loro lunghezza d'onda.

I diversi tipi di radizione, nel dettaglio le radiazioni nel campo del visibile - licenza creative common

La luce visibile rappresenta le radiazioni percepibili dall'occhio umano che spaziano da una lunghezza d'onda di più o meno 380 nanometri, violetto e 780 nanometri, rosso.Questi tipo di radiazione rappresentano un poì lo spartiacque per quanto riguarda gli adattamenti dei viventi e del nostro organismo. 

Radiazioni ionizzanti: le radiazioni di lunghezza d'onda minore di 380 nm le chiamiamo radiazioni ionizzanti, in quanto hanno energia sufficiente a rompere i legami chimici, tanto maggiore quanto più è alta la loro frequenza. 
Sono, in ordine decrescente di lunghezza d'onda: 
Raggi Ultravioletti         -     Raggi X        - Raggi gamma
Contro i raggi X e i raggi Gamma le cellule del nostro corpo non hanno praticamente difese. 
Queste radiazioni ad alta energia sono molto penetranti e possono danneggiare direttamente il DNA, spezzando addirittura i legami fosfodiestere dello scheletro zucchero-fosfato, o indirettamente generando nel citoplasma e nel nucleo dei radicali liberi che secondariamente attaccano la molecola del DNA.
Va da sé che sono altamente mutageni. Massicce dosi di raggi X e Gamma, come quelli emessi dagli isotopi radioattivi uccidono le cellule, dosi più contenute per lunghi periodi di tempo, provocano un accumulo di mutazioni che spesso spingono le cellule verso la strada della cancerogenesi. 
Anche per le radiazioni vale la stessa doppia-faccia degli agenti intercalanti. Essendo dei potenti agenti di alterazione del DNA, possono essere usate in radioterapia per il trattamento di particolari forme tumorali. 
Va da sé che si portano dietro purtroppo molti effetti collaterali di danneggiamento di cellule sane, soprattutto quelle in attiva divisione come quelle del midollo osseo-sangue e della pelle. 

Per quando riguarda l'esposizione ai raggi UV, invece, abbiamo due vantaggi a nostro favore:
1- non sono penetranti per cui possono danneggiare solo la pelle e gli occhi. 
2- le nostre cellule hanno un efficiente sistema di difesa in grado di rimuovere il danno più frequente: la formazione di dimeri di Timina. 
Questo danno si verifica quando due di queste basi si presentano sequenziali su un filamento di DNA. 
 
I due residui di Timina vengono saldati covalentemente, impedendo di fatto i normali processi operanti sul DNA, come la trascrizione o la replicazione. 
Un tipo di danno che accade continuamente a causa dell'esposizione alla radiazione solare. Si sono evolutivamente adattati due sistemi di riparazione per ovviare a questo tipo di danno, entrambi molto efficienti: 
a- La Fotoliasi: un enzima in grado di "slegare" direttamente i due residui di Timina. Assente nei mammiferi e nella specie umana.
b- La riparazione per escissione. Un sistema che coinvolge diversi enzimi in grado di riconoscere la deformazione causata dalla saldatura, tagliare via una manciata di nucleotidi attorno al dimero (compreso il dimero ovviamente) e ricostruire il filamento. Presente nella specie umana. 
Bisogna comunque ricordare che maggiore è la quantità di radiazioni UV assorbite più aumentano i danni sulla doppia elica e i sistemi di riparazione hanno un'efficacia limitata. 
Per cui una prolungata ed eccessiva esposizione agli UV non può essere compensata dal nostro organismo che può andare incontro prima a dannosi processi infiammatori della pelle, eritemi,  e poi allo sviluppo di pericolosi tumori (melanomi).

Radiazioni non ionizzanti:
Le radiazioni non ionizzanti sono quelle a lunghezza d'onda maggiore del campo del visibile. 
sono, nell'ordine da quelle a frequenza maggiore a quelle a frequenza minore. 
Infrarossi           -        microonde           -     onde radio

Non c'è una relazione diretta tra queste radiazioni e mutagenesi sul DNA. Anche perché gli effetti di queste radiazioni dipendono molto dall'intensità dei campi elettromagnetici e da un prolungato periodo di esposizione. 
Può esserci però una relazione tra queste radiazioni e cancerogenesi, in maniera indiretta, con l'insorgenza di processi infiammatori cronici che è stato dimostrato possono degenerare in forme tumorali, in alcuni casi. 



 

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3- Gli agenti biologici 
Sono numerosi gli agenti biologici in grado di provocare mutazioni nel DNA. 
Possono agire su diversi piani: 
1- possono essere batteri responsabili di infezioni croniche latenti o persistenti tipo Helicobacter pilori, il responsabile dell'ulcera gastrica. Lo stato infiammatorio permanente protratto per anni favorisce lo sviluppo e l'insorgenza di cellule cancerogene. 
2- Ma sono principalmente  virus  come il Papilloma, epatite B, C, Epstein-Barr e molti altri. 
Per i virus è la regola prendere il controllo delle funzioni cellulari spingendole in molti casi a riprodursi attivamente, andando ad operare sull'espressione di geni chiave per il controllo della divisione cellulare, gli stessi coinvolti in molte forme tumorali. (oncogeni e oncosoppressori)
Spesso, nelle forme croniche di infezione virale questi geni sono stati oggetto di mutazione indotta dal virus. 
3- Virus e trasposoni: in alcuni casi l'azione di mutagenesi è diretta. Ci sono dei virus, ad esempio l'HIV che si integrano nella cellula ospite. Nel sito di integrazione possono inserirsi direttamente dentro un gene, di fatto inattivandolo, oppure, aumentare la trascrizione di un intero gruppo di geni, in quanto questi virus si portano dietro delle sequenze di attivazione dell'espressione genica chiamati enhancer trascrizionali. 
I trasposoni invece sono delle unità funzionali di DNA che, a differenza dei virus, non hanno una fase extracellulare ma risiedono permanentemente integrati nel DNA nucleare.
L'attivazione di un trasposone comporta la duplicazione dell'unità funzionale che può replicarsi, migrare e "infettare" altri cromosomi. 
Anche i trasposoni portano con sé sequenze di regolazione trascrizionale che possono alterare l'espressione dei geni circostanti. 

Nella prossima lezione la classificazione delle mutazioni

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VEDI ANCHE:
Le Mutazioni - I Tipi di Mutazione
Le Mutazioni - definizione e agenti mutageni
Le Mutazioni - Classificazione in base agli effetti - le mutazioni neutre
Le Mutazioni - Classificazione in base agli effetti -mutazioni con perdita di funzione