SIAMO TUTTI DIVERSI

1. SIAMO TUTTI DIVERSI Ogni individuo della specie umana (esclusi i gemelli monozigoti) nasce e rimane geneticamente diverso dagli altri AGENTI FISICI le sue risposte AGENTI CHIMICI AGENTI BIOLOGICI (farmaci inclusi) possono essere diverse eterogeneità genetica L’insieme dei cromosomi di una cellula somatica e delle cellule germinali immature è detto corredo cromosomico nell’uomo è diploide la diploidicità è una condizione necessaria per poter realizzare alcuni dei meccanismi responsabili della eterogeineità umana la diploidicità è anche una forma di difesa contro mutazioniche alterano la funzione della proteina espressa cariotipo ottenuto da linfocita umano L’insieme delle caratteristiche morfologiche di un particolare corredo cromosomico

3. I geni sono predisposti in ordine prestabilito e rigoroso nei CROMOSOMI OMOLOGHI locus locus particolare carattere particolare carattere Omozigote per un certo carattere, l’individuo che porta nei propri cromosomi omologhi due copie identiche del gene che codifica per quel carattere. Eterozigote per un certo carattere, l’individuo che porta nei propri cromosomi omologhi due copie diverse (alleli) del gene che codifica per quel carattere. Un gene può avere più di due copie diverse (serie allelica). L’esistenza di molti alleli per un solo gene è la base della individualità degli esseri viventi. La presenza di alleli diversi di uno stesso gene è detta anche polimorfismo.

4. CAUSE DELL’ETEROGENEITÀ GENETICA MEIOSI DOMINANZA RECESSIVITÀ CODOMINANZA crossing-over Nature 409: 822-823 (2001). POLIMORFISMO GENETICO MUTAZIONI

5. EVENTI PRINCIPALI NELLA MEIOSI a b c d e materno (cellula premeiotica) paterno 2n REPLICAZIONE DEL DNA meccanismo di crossing-over appaiamento dei cromosomi omologhi (ogni coppia è unita a livello di centromeri) 4n ricombinazione genetica crossing-over il luogo dove avviene lo scambio di pezzi di cromosomi omologhi è il chiasma la possibilità di ricombinazione fra due geni è inversamente proporzionale alla loro distanza relativa (la presenza del chiasma impedisce il verificarsi di un altro crossing over nelle sue vicinanze, interferenza) I DIVISIONE CELLULARE distribuzione casuale dei cromosomi omologhi 2n II DIVISIONE CELLULARE (senza replicazione) 1n Il corredo cromosomico aploide di ogni gamete è diverso da quello di ogni altro gamete prodotto dallo stesso individuo perché durante la meiosi si ha distribuzione casuale dei cromosomi omologhi e crossing-over nuove combinazioni di geni

6. DIFFERENZE NELLA MEIOSI 1 3 4 (si sviluppa a caso da uno dei 4 prodotti meiotici) Nella specie umana, la meiosi nella femmina non è completata fini dopo la fecondazione

7. POLIMORFISMO Quando in una popolazione esistono 2 o più alleli polimorfismo genetico sebbene rari sono presenti nella popolazione con frequenza anche bassa ma significativa • Quando l’allele più comune in tutta la popolazione rappresenta: • meno del 98% polimorfismo in un dato locus • più del 98% la presenza dell’allele meno ricorrente è dovuta a mutazione QUASI TUTTI, SE NON TUTTI I GENI, SONO POLIMORFICI Dati biochimici ottenuti osservando la mobilità elettroforetica di circa 70 enzimi circa il 28% dei geni umani è polimorfico un individuo è eterozigote nel 7% dei suoi loci perché mediante elettroforesi si possono valutare solo le sostituzioni che portano a variazione di carica tuttavia 20% L’analisi del DNA permette di valutare anche gli alleli che pur avendo tra loro una sequenza nucleotidica diversa a causa della degenerazione del codice genetico codificano la stessa sequenza aa (la proteina ha la stessa mobilità elettroforetica) altri alleli sostituzione conservativa (es. Asp con Glu) proteina modificata di 1 o 2 aa simili (non modificano né carica né funzione) Il polimorfismo è rivelato con l’elettroforesi Solo se la sostituzione pur alterando lacarica della proteina non ne altera l’attività si possono separare le isoforme proteiche se ne può valutare la presenza

8. A A GENE GENE piccole variazioni di sequenza aa normale attività biologica MA • valori > o < di proprietà che contribuiscono all’attività biologica • e/o • proprietà accessorie nuove, minori (che modificano poco la funzione della proteina): • stabilità (vita della proteina nella cellula); • valore di Vmax per gli enzimi; • grado di sensibilità agli effettori; • grado di sensibilità a composti esogeni, farmaci inclusi. si manifestano quando un individuo cambia alimentazione si sposta da un ambiente ad un altro è costretto a fare uso di farmaci Il subdolo di queste proprietà è imputato al fatto che le proteine prodotte da alleli diversi dello stesso gene avrebbero valori diversi di sensibilità allo stesso fattore ambientale (es. affinità per una molecola esogena inibitrice)

9. Eterogeneità genetica e sensibilità a molecole esogene individuo A individuo B omozigote per l’allele 1 omozigote per l’allele 2 omozigote per l’allele 1 omozigote per l’allele 1 gene W gene Z gene W gene Z sito responsabile della proprietà minore Z2 W1 Z1 W1 enzima enzima enzima enzima insensibile alla molecola esogena (es. farmaco) Z2 W1 W1 enzima inibito (effetto voluto) enzima inibito (effetto collaterale) enzima inibito (effetto collaterale)

10. DOMINANZA, RECESSIVITÀ, CODOMINANZA alleli che manifestano completamente il loro fenotipo (trait, caratteristica genetica) anche in condizioni di eterozigosi (cioè in presenza di un diverso allele omologo) DOMINANTE è riferito all’allele che si manifesta solo in condizioni di omozigosi (alleli identici nello stesso locus) RECESSIVO è la condizione di eterozigosi in cui si possono osservare le caratteristiche di ambedue gli alleli. Es. gruppo sanguigno AB: CODOMINANTE 0 0 codominanza degli alleli A e B AB AB

11. CONSIDERAZIONI SULLA ETEROGENEITÀ GENETICA L’eterogeneità genetica degli individui è importante per la sopravvivenza di una specie le permette di rispondere ai cambiamenti rapidi dell’ambiente che selezionano positivamente alcuni individui conoscenza dell’eterogeneità genetica degli individui di una stessa specie comprensione inalata naturale o sintetica assunta con gli alimenti AMBIENTE somministrata come farmaco possa provocare influenze di tipo ed entità diverse in individui diversi Per mostrare a livello molecolare come individui diversi rispondono in maniera diversa all’azione della stessa molecola, si può fare l’ipotesi che la molecola sia un farmaco alcuni individui rispondono positivamente alcuni non subiscono effetti negativi alcuni subiscono anche effetti negativi altri non subiscono alcuna influenza positiva alcuni non subiscono effetti negativi alcuni subiscono anche effetti negativi

12. FARMACO catena di aminoacidi legami deboli con residui aa + - modificare la fisiologia cellulare Per poter agire deve associarsi con un certo grado di specificità ad un componente cellulare Se due soggetti possiedono alleli diversi codificanti la stessa proteina enzimatica la cui attività deve essere attivata per favorire l’effetto diverso residuo che non Altera le caratteristiche funzionali stessa attività catalitica e di regolazione non associa il farmaco o c’è < affinità associa il farmaco Si spiega così anche l’effetto collaterale dei farmaci I farmaci con minor effetti collaterali sono quelli che interagiscono con le proteine nel sito di legame di un suo ligando naturale (es. sito di legame del substrato e siti di regolazione da effettore)

13. QUALCHE TIPO DI POLIMORFISMO In tutti gli organismi vi sono variazioni naturali nella sequenza del DNA distribuite in tutto il genoma Esoni (geni = circa 1000 copie di basi) Poiché gran parte del genoma umano non codifica proteine (DNA in eccesso), è tollerato che nell’uomo vi sia un grande numero di variazioni nella sequenza Introni Pseudogeni (copie multiple non funzionanti) Famiglie di sequenze di basi altamente ripetitive (microsatelliti usate come fingerprint 25-35%) non più del 5% del DNA è trascritto; il 95% è silente (secondo alcuni una parte di questo è junk DNA) nell’uomo ci sono differenze individuali di sequenza ogni 200 nucleotidi Alleli RFLP- restriction fragment length p… polimorfismi che alterano la lunghezza dei frammenti di restrizione • Risultano da: • cambiamenti (e.g. SNPs) che introducono o alterano un sito di restrizione • differenze nel numero di copie di un Tandem Repeats (TRPs) SNP- single nucleotide p… Tandem repeat p…

14. POLIMORFISMO DELLA LUNGHEZZA DEI FRAMMENTI DI RESTRIZIONE (RFLP) bande dopo la ibridazione situazione dei cromosomi Enzima A Enzima B a2 a1 b2 a3 b1 MW b2 b1 a3 a1 la mutazione nel sito a2 impedisce il taglio endonucleasi di restrizione A endonucleasi di restrizione B sonda che riconosce una singola regione del genoma L’elettroforesi separa il DNA in base alle dimensioni DNA migra verso il polo positivo Le molecole piu’ grandi si muovono piu’ lentamente

15. ALLELI CTG Allele 1 GAC mutazione GAC Allele 2 GTC GAC CTG Allele 2 Allele 1 GAC GTC (alleli 1 e2) allele 2 allele 1 Nell’uomo i polimorfismi sono spesso associati conalterazioni di una singola base

16. COME COMPAIONO I POLIMORFISMI? Un numero finito di MUTAZIONI avviene spontaneamente nella sequenza del DNA cromosomi gene altre avvengono nella sequenza codificante alcune si verificano nelle sequenze non codificanti DNA proteina sequenze proteiche alterate alterazione della struttura diminuzione dell’espressione perdita dell’espressione normalmente non hanno effetto sulla funzionalità Poiché un’alterazione nella sequenza del DNA colpisce tutte le copie della proteina codificata, le mutazioni possono essere particolarmente dannose Al contrario, ogni alterazione nella sequenza dell’RNA o di proteine che avviene durante la loro sintesi è meno grave perché di queste molecole ne vengono sintetizzate molte copie

17. TIPI DI MUTAZIONI GENOTIPO è l’insieme dei geni di un individuo denota se un individuo è portatore di una mutazione FENOTIPO funzioni e l’aspetto fisico dell’individuo definisce le conseguenze fisiche e funzionali del genotipo quando entrambi gli alleli devono essere mutati per poter osservare il fenotipo mutante; l’individuo deve essere omozigote per l’allele mutante MUTAZIONE RECESSIVA inattivano il gene colpito e portano a perdita di funzione possono alterare la struttura della proteina codificata e quindi la funzione possono rimuovere in parte o completamente un gene dal cromosoma possono distruggere l’espressione della proteina le conseguenze fenotipiche di una mutazione si possono osservare anche in un eterozigote MUTAZIONE DOMINANTE portano a guadagno di funzione

18. MUTAZIONI PUNTIFORMI E PICCOLE DELEZIONI GCTA CGAT Sequenze normali amminoacidi N-Phe Arg Trp Ile Ala Asn-C GCC 5’-UUU CGA UGG AUA AAU-3’ mRNA CGG GCC TTA-5’ AAT-3’ 3’-AAA 5’-TTT GCT CGA ACC TGG TAT ATA DNA Mutazioni di senso (missense) CGG GCC TTA-5’ AAT-3’ 3’-AAT 5’-TTA GCT CGA ACC TGG TAT ATA DNA amminoacidi N-Leu Arg Trp Ile Ala Asn-C Mutazioni non senso (nonsense) CGG GCC TTA-5’ AAT-3’ 3’-AAA 5’-TTT GCT CGA ATC TAG TAT ATA DNA amminoacidi N-Phe Arg Stop Slittamento per inserzione (frameshift) TCG AGC GTT-5’ CAA-3’ 3’-AAA 5’-TTT GCT CGA ACC TGG ATA TAT DNA amminoacidi N-Phe Arg Trp Gln Tyr Ser Slittamento per delezione (frameshift) TA-5’ AT-3’ 3’-AAA 5’-TTT CCT GGA ATC TAG GGT CCA DNA amminoacidi N-Phe Gly Stop

19. ABERRAZIONI CROMOSOMICHE Inversione A B C D E A B D C E I Delezione A B C D E A B E I Traslocazione bilanciata A B C D E A B C Z I W X Y Z W X Y D E II Inserzione A B C D E A B C X D E I W X Y Z W Z Y II

20. AGENTI MUTAGENI Le mutazioni possono essere causate anche dall’ esposizione dell’organismo ad alcuni FATTORI AMBIENTALI reattivi degli acidi nucleici (es. nitrito di sodio, usato come antiossidante negli alimenti) analoghi delle basi nucleotidiche (es. 5-bromouracile) MUTAGENI CHIMICI agenti intercalanti le basi del DNA (es. acridine, usate come coloranti) mutazioni puntiformi radiazioni elettromagnetiche MUTAGENI FISICI lunghezza d’onda g F(Hz) RADIAZIONI IONIZZANTI X radioterapia radiografia 3*10^7G aberrazioni cromosomiche 12/h=3*10^6G ULTRAVIOLETTOlampade germicide VISIBILE luce laser-fibre ottiche dimeri di timina calore 10^-3mm 3*10^5G INFRAROSSO 1mm 300G radar radarterapia MICROONDE ONDE HERZIANE TV telefonia cellulare MF ponti radio 1m 300M ONDE RADIO marconiterapia Trasmissioni intercontinentali 10Km 30K 100Km 3K CORRENTI telefonia ALTERNATE linee di rete 6*10^Km 50

21. ANEMIA FALCIFORME