Le mutazioni - Classificazione in base agli effetti - le mutazioni neutre

Le mutazioni - Classificazione in base agli effetti -mutazioni neutre

In un Post Precedente - Le Mutazioni - definizione e agenti mutageni abbiamo trattato la definizione di mutazione, i principali agenti mutageni e altre cause delle mutazioni.
In un secondo post - Le Mutazioni - I tipi di mutazione abbiamo classificato le mutazioni in base al tipo e all'estensione: Mutazioni Puntiformi, Genomiche e Cromosomiche. 

In questo post prenderemo in esame le mutazioni in base all'effetto che possono avere sulla funzionalità delle proteine coinvolte, concentrandoci principalmente sulle mutazioni puntiformi. 

Possiamo classificare le mutazioni in base al loro effetto in tre categorie:

MUTAZIONI NEUTRE O SILENTI: 
Sono mutazioni che non alterano la funzione della proteina. 
MUTAZIONI CON PERDITA DI FUNZIONE: 
Sono mutazioni che pregiudicano a vari livelli la funzione della proteina.

MUTAZIONI CON ACQUISTO DI FUNZIONE:

Sono mutazioni che forniscono una nuova funzione precedentemente non presente nella Proteina

1-  MUTAZIONI NEUTRE O SILENTI:

La distinzione tra neutro e silente è abbastanza sottile e si basa fondamentalmente sulla sequenza aminoacidica della proteina. 

Una mutazione Silente, per definizione, è una mutazione che non altera la sequenza aminoacidica della proteina. 

Com'è possibile che una mutazione che altera una sequenza codificante nel DNA non altera la sequenza di aminoacidi che dipende da quella informazione?

La risposta è nella ridondanza o degenerazione del codice genetico. 

Abbiamo 61 codoni codificanti per soli 20 aminoacidi diversi presenti nelle proteine. 

La maggior parte degli aminoacidi è codificata da più di un codone, spesso codoni varianti nella terza posizione. 

Per cui se una mutazione puntiforme colpisce questa posizione, molte volte non sortisce alcun effetto diretto sulla proteina, in quanto l'aminoacido in quella posizione non viene cambiato. 

       Nome e sigle         Codoni                                                            Tipo (o proprietà)

Alanina	Ala	A	GCU, GCC, GCA, GCG	Neutro - alifatico
Arginina	Arg	R	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG	Positivo - basico -  NH3+
Asparagina	Asn	N	AAU, AAC	Polare - CONH2
Acido Aspartico	Asp	D	GAU, GAC	Negativo - acido -COO-
Cisteina	Cys	C	UGU, UGC	Polare - Ponti disolfuro - SH
Glutammina	Gln	Q	CAA, CAG	Polare - CONH2
Acido Glutammico	Glu	E	GAA, GAG	Negativo - acido -COO-
Glicina	Gly	G	GGU, GGC, GGA, GGG	Neutro – alifatico - H
Istidina	His	H	CAU, CAC	Positivo - basico - NH3+
Isoleucina	Ile	I	AUU, AUC, AUA	Neutro - alifatico
Leucina	Leu	L	UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG	Neutro - alifatico
Lisina	Lys	K	AAA, AAG	Positivo - basico - NH3+
Metionina	Met	M	AUG	Neutro - solforato
Fenilalanina	Phe	F	UUU, UUC	Neutro - aromatico
Prolina	Pro	P	CCU, CCC, CCA, CCG	Neutro - anello rigido
Serina	Ser	S	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC	Polare - OH
Treonina	Thr	T	ACU, ACC, ACA, ACG	Polare - OH
Triptofano	Trp	W	UGG	Neutro - aromatico
Tirosina	Tyr	Y	UAU, UAC	Aromatico - fenolo(OH)
Valina	Val	V	GUU, GUC, GUA, GUG	Neutro - alifatico
-------	stop		UAG, UGA, UAA

Quindi, tranne metionina e triptofano tutti gli altri aminoacidi hanno almeno una possibilità di mutazione silente.
La proteina che risulta dal gene mutato, almeno a livello aminoacidico, ha gli stessi identici aminoacidi di quella di un qualsiasi gene selvatico.
Ma sono proprio tutti silenti queste mutazioni? Cioè veramente non provocano alcun cambiamento in OGNI passaggio dell'espressione genica?
Questo è un discorso estremamente complesso e va analizzato caso per caso.
Mentre un tempo si era molto fiduciosi nella sola sequenza del DNA perché neanche si sospettavano i molteplici livelli di controllo dell'espressione genica, oggi la situazione si presenta alquano più intricata.
Vediamo alcune possibilità generali per cui una mutazione, apparentemente silente, potrebbe non esserlo affatto.


PRIMA POSSIBILITA': Anche se la mutazione sostituisce un esone codificante con un altro esone sinonimo, che codifica per lo stesso aminoacido, potrebbe esserci una diminuzione dell'efficienza della traduzione.
Infatti, benché nella cellula siano presenti tutti i tRNA necessari per leggere i codoni sull'mRNA, i diversi organismi si sono adattati nell'uso di codoni preferenziali e la quantità di tRNA presenti nella cellula rispecchia questo adattamento.
I codoni più usati sono anche quelli con una maggiore concentrazione di tRNA corrispondenti pronti per individuarli e leggerli.
L'esempio più conosciuto è quello del dinucleotide CG:
Nelle cellule eucariotiche c'è stata una tendenza evolutiva a limitare l'uso dei codoni che contengono la sequenza CG.
1- Perché questo dinucleotide può essere riconosciuto da particolari enzimi, che modificano chimicamente la citosina con l'aggiunta di un gruppo metile (CH3). Si tratta di un meccanismo epigenetico di silenziamento dei geni che favorisce la formazione di eterocromatina.
2- Ma la Metil-Citosina se perde il gruppo amminico diventa a tutti gli effetti una Timina, causando una mutazione stabile!

Per cui le cellule eucariotiche, nel corso dell'evoluzione hanno ridotto all'essenziale la frequenza del dinucleotide CG, concentrandolo nelle sequenze regolative.
Prendiamo qualche aminoacido come esempio:
Alanina quattro codoni possibili:   GCU, GCC, GCA, GCG
 L'uso di questi quattro codoni nelle cellule umane è così ripartito:
GCU 18,4 ogni mille basi
GCC 27,7 ogni mille basi
GCA 15,8 ogni mille basi
GCG 7,4 ogni mille basi

Serina addirittura sei codoni possibili:   UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
 L'uso di questi sei codoni nelle cellule umane è così ripartito:
UCU 15,2 ogni mille basi
UCC 17,7 ogni mille basi
UCA 12,2 ogni mille basi
UCG 4,4 ogni mille basi
AGU 12,1 ogni mille basi
AGC 19,5 ogni mille basi
Quindi non tutti i codoni sono VERAMENTE sinonimi nell'economia cellulare. E un cambiamento apparentemente sinonimo potrebbe ostacolare la traduzione. 
  
SECONDA POSSIBILITA': 

 Anche se le sequenze regolative dell'mRNA, che ne regolano l'efficienza di traduzione e la durata di vita, sono concentrate nelle sezioni non codificanti al 5' e al 3', come ad esempio la lunghezza della coda di poli-A, anche la struttura interna della molecola di mRNA potrebbe svolgere un ruolo accessorio. 
Anche se l'mRNA deve essere letto come una striscia a singolo filamento, è in grado di ripiegarsi per brevi tratti su se stesso formando conformazioni bidimensionali e tridimensionali. Queste conformazioni possono influenzare l'emivita dell'mRNA e alterare l'efficienza nella traduzione.
Potrebbe succedere quindi che una mutazione silente, benché non cambi il significato del messaggio trasportato, possa favorire la formazione di strutture troppo stabili che rallentano la traduzione. 
O indebolire strutture necessarie per l'emivita naturale del mRNA.

TERZA POSSIBILITA': Questa è decisamente estrema e si attiene più a una mutazione con perdita di funzione, ma, dato che non altera l'informazione della sequenza di aminoacidi possiamo anche introdurla in questo punto e poi faremo un esempio nella trattazione della perdita di funzione. 


Il nucleotide alterato potrebbe influenzare lo splicing del gene e introdurre un nuovo sito di splicing.

Lo splicing, la rimozione degli introni durante la maturazione dell'mRNA, è molto sfruttato dagli eucarioti come controllo fine dell'espressione genica, sia per produrre nuove varianti proteiche da uno stesso gene, sia per differenziare la produzione delle proteine nei diversi tessuti. 

Già di per sé quindi è un meccanismo molto versatile. 

Come funziona lo splicing?

Ci sono dei complessi plurimolecolari di Proteine e piccoli RNA, chiamati snRNP che riconoscono all'interno di un gene, nei due punti di giunzione dell'introne con gli esoni adiacenti, delle corte sequenze alle quali si legano, formano un loop dell'intero introne, sovrappongono le due esremità, tagliano via l'introne e risaldano i due esoni adiacenti.
Il riconoscimento si basa su corte sequenze non strettamente conservate, abbastanza variabili, che sono situate soprattutto dentro l'introne. 
Però alcune basi che fanno parte delle sequenze di riconoscimento sconfinano anche dentro gli esoni confinanti. 

1b - LE MUTAZIONI NEUTRE

In una mutazione neutra l'aminoacido nella posizione colpita dalla mutazione viene sostituito da un altro aminoacido. 
Però questa sostituzione non influisce sulla funzionalità della proteina. 
Ricordiamo che il punto cardine per il funzionamento di una proteina è la sua struttura tridimensionale. 
Ogni proteina ha la sua peculiare struttura tridimensionale. La sostituzione di un aminoacido, molte volte non è abbastanza POTENTE da alterare la struttura tridimensionale e viene assorbita dalla proteina senza conseguenze. 
Possiamo stabilire alcuni punti fondamentali. 

A- Gli Aminoacidi chimicamente simili: 
Gli aminoacidi si differenziano l'uno dall'altro per il gruppo R agganciato al carbonio centrale. 
I 20 aminoacidi hanno 20 gruppi R diversi, ognuno con funzione specifica. 
Però molti di questi gruppi hanno un comportamento chimico simile. 
Se guardate l'ultima colonna della tabella sopra ho indicato le caratteristiche generiche dei diversi gruppi R. 
Facciamo due esempi estremi: 
Acido Aspartico - gruppo acido negativo COO^- codone GAU
Istidina - gruppo basico positivo NH3+ - codone CAU
 Una sostituzione in prima posizione mi cambia il codone dell'Acido Aspartico in quello dell'Istidina. 
Quindi mi sostituisce due aminoacidi che hanno dei gruppi R con caratteristiche opposte. 
In questo caso posso aspettarmi che probabilmente la sostituzione mi porterà qualche problema nella funzionalità di una proteina, soprattutto se questi aminoacidi sono situati, ad esempio all'interno del sito attivo di un Enzima. 

 Invece consideriamo quest'altra sostituzione:

Alanina - gruppo neutro alifatico codone GCU
Valina- gruppo neutro alifatico - codone  GUU

in questo caso è ragionevole supporre che questa sostituzione abbia scarso effetto sulla funzionalità della proteina. 

Il codice genetico si è modulato, nel corso dell'evoluzione per assorbire gli effetti deleteri delle sostituzioni. Abbiamo già visto che molte sostituzioni in terza posizione sono ininfluenti. Tra le sostituzioni in prima e seconda posizione ce ne sono alcune più pericolose e altre meno, in quanto sostituiscono aminoacidi abbastanza simili. 
Abbiamo due tipi di sostituzioni: 



Transizioni- purina con purina, ad esempio A - G e viceversa e pirimidina con pirimidina C - T  e viceversa. Queste sostituzioni sono più comuni e avvengono con più frequenza in quanto possono essere generate da una modificazione chimica delle basi (tipo la deaminazione che cambia la Citosina in Uracile, o la Metil-Citosina in Timina)
In molti casi queste transizioni in prima e seconda posizione sostituiscono un aminoacido con un altro con funzione simile.
Transversioni- nelle trasversioni invece una purina viene sostituita da una pirimidina e viceversa. Queste sono meno frequenti e spesso portano alla sostituzione di un aminoacido con uno completamente diverso, risultando deleterie. 


B- Gli Aminoacidi chiave:

 
Siti attivi: Alcuni aminoacidi svolgono un ruolo chiave nella struttura tridimensionale della proteina e nella funzionalità di un sito attivo. Possiamo stabilire alcune caratteristiche generali. 
Gli aminoacidi carichi positivamente e/o negativamente:
Molto spesso si trovano nei siti attivi dove le cariche positive e negative contribuiscono a indebolire i legami e/o fornire o accettare ioni H+ per catalizzare la rottura dei legami. 
La sostituzione di uno di questi aminoacidi con altri diversi, negativo con neutro, positivo con negativo e così via, sono sempre deleterie.

Le Alfa eliche: le alfa eliche insieme ai piani beta sono le impalcature attorno alle quali è costruita la proteina. 

L'alfa-elica è tenuta assieme dai legami idrogeno tra i residui aminoacidi, tra il C=O e l'N-H dei legami peptidici di aminoacidi distanti circa 4 posizioni. 
Si potrebbe pensare che i gruppi R non influenzino l'alfa-elica in quanto sono orientati verso l'esterno. 
Non è così.
Le alfa eliche sono favorite da aminoacidi neutri e/o non carichi, sfavorite da quelli carichi, soprattutto se molto vicini, ma in evidenza ci sono due aminoacidi che destabilizzano di molto l'alfa elica: 

- la glicina

il gruppo R di una glicina è un semplice atomo di idrogeno, troppo piccolo per assicurare il rigido distanziamento tra gli aminoacidi, causando piegature indesiderate dell'elica.

- la prolina

La Prolina è l'unico aminoacido in cui il gruppo R forma un anello RIGIDO attorno al carbonio centrale. 

Non può essere inserito nella struttura regolare dell'elica ma è invece funzionale nelle piegature tra due alfa-eliche adiacenti. 

Quindi, sebbene non ci sia una sequenza di aminoacidi standard per formare le alfa-eliche, ci sono degli insieme di aminoacidi che la favoriscono o la sfavoriscono. Se avvengono mutazioni all'interno della regione per l'alfa-elica potrebbero, bisogna sempre considerare caso per caso, destabilizzarla e destabilizzare l'intera struttura tridimensionale della proteina. 

 I ponti disolfuro: L'aminoacido cisteina ha il gruppo R solforato -SH. 

In molte proteine, sia grandi che piccole, due residui di cisteina, che possono essere molto distanti lungo la catena, possono essere coinvolti nella formazione di un ponte disolfuro  Cys- S-S- Cys, un legame covalente forte in grado di stabilizzare la struttura della proteina. 

Va da sé che la sostituzione di una delle due cisteine impedisce la formazione del ponte e può destabilizzare la proteina o renderla particolarmente sensibile alla temperatura. 

In conclusione: 
Le mutazioni neutre e quelle silenti non cambiano la funzionalità della proteina e sono ben tollerate senza generare problemi. 
(però abbiamo visto che non tutte sono effettivamente silenti)
Costituiscono una buona parte della variabilità intraspecifica nelle sequenze codificanti, in quanto, non dovendo sottostare alla verifica della selezione naturale, sono relativamente libere di propagarsi nella popolazione. 
Non sono però così libere di propagarsi senza effetti come quelle che colpiscono le ampie regioni di DNA non codificante e non regolativo. 
Nel prossimo post invece vedremo le mutazioni più pericolose, quelle che alterano la funzionalità delle proteine, con qualche esempio specifico, visto che in parte sono state già introdotte in alcuni punti di questo post. 

Ancora una volta prenderemo in considerazione solo quelle geniche.

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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