BIOLOGIA APPLICATA E BIOTECNOLOGIE AGRARIE

10 Le mutazioni

Il termine “mutazione" fu usato per la prima volta nel 1902 dal botanico olandese Hugo de Vries. Studiando l’eredità mendeliana nella rapunzia europea (Oenothera biennis), egli si avvide come talvolta apparisse un carattere che non era presente in nessun genitore né in alcun antenato. Pensò che il nuovo carattere derivasse da cambiamenti improvvisi dei geni che, così modificati, determinavano caratteristiche nuove poi trasmesse come gli altri caratteri ereditari.
Il termine mutazione sta quindi a indicare un improvviso cambiamento del materiale ereditario che determina il cambiamento caratteristico di un organismo, definito mutante.
Le mutazioni possono essere dominanti, se interessano un allele dominante, o recessive se interessano un allele recessivo. Possono interessare le cellule somatiche e non sono trasmissibili alla progenie oppure germinali se coinvolgono i gameti e quindi sono ereditabili. Le prime si manifestano se sono dominanti, se si verificano in un certo stadio dello sviluppo e insorgono in alcune parti dell’organismo (se sono coinvolti geni della crescita cellulare si può avere la trasformazione tumorale della cellula). Un’ulteriore distinzione delle mutazioni è in spontanee o indotte. Le mutazioni spontanee insorgono in condizioni normali, sono molto rare (la loro frequenza varia da 2 a 60 mutazioni ogni 106 gameti) e hanno un ruolo importante in fenomeni biologici quali l’evoluzione e la cancerogenesi. Si pensa siano implicate anche nell’invecchiamento, nell’aterosclerosi e nelle malattie autoimmuni e neurodegenerative. Le mutazioni si verificano con maggiore frequenza in alcuni siti definiti punti caldi (hot spots), come quelli contenenti 5metildtosina, e sono il risultato di una serie di fattori endogeni ed esogeni. I primi sono agenti mutageni presenti nell’ambiente, come radiazioni cosmiche, radionuclidi e altri composti chimici che possono interagire casualmente con il DNA; i secondi sono correlati a processi fisicochimici, quali la rottura dell’elica del DNA in seguito a idrolisi, oppure gli errori che si verificano nel corso di processi fisiologici. Le mutazioni spontanee possono verificarsi a livello delle cellule somatiche di un organismo e possono risultare anche letali, ma non si trasmettono alla progenie; se invece colpiscono le cellule riproduttive (gameti), si possono ripercuotere sui figli degli individui mutati ed essere determinanti per i meccanismi di selezione naturale. Le mutazioni indotte sono guidate dall’uomo, in seguito alla necessità di ottenere rapidamente organismi o cellule mutanti su cui eseguire particolari studi di genetica attraverso l’uso di mutageni, sia fìsici che chimici, che interferiscono con la struttura del DNA.
I mutageni fìsici sono: radiazioni ultraviolette, radiazioni elettromagnetiche, radiazioni corpuscolari (termiche, neutroni da reattore nucleare, particelle p da isotopi radioattivi).


Corredo cromosomico di un individuo affetto da sindrome di Down. Nel cerchio sono raggruppati i tre cromosomi “21”.



Mutazioni genetiche: foglie di Pelargonium peltatum (a) e colchico (b).


1. Irraggiamento delle marze. 2. Innesto delle marze irradiate. 3. Germogliamento delle gemme irraggiate. 4. Per innesto delle gemme portate dal ramo che ha vegetato l’anno precedente è possibile ottenere: a, rami con gemme interamente mutate; b, rami con gemme parzialmente mutate; c, rami in cui la mutazione è assente. Anche dai rami di cui al punto b si potranno successivamente isolare gemme interamente mutate.

I mutageni chimici sono: dietilsulfanato, etilmetano sulfonato, metilmetano sulfonato, colchicina. Generalmente è impossibile prevedere quale effetto procurino queste sostanze e quali mutazioni si verifichino dopo il trattamento: molte mutazioni saranno indifferenti, molte sfavorevoli, solo alcune porteranno nuovi caratteri interessanti.
Saranno le mutazioni portanti caratteri positivi ad essere selezionate, propagate attraverso le tecniche della propagazione vegetativa o quelle della ricombinazione genetica e incorporate così nel patrimonio genetico di popolazioni preesistenti.
Nelle piante che si propagano vegetativamente, le cultivar, in seguito all’insorgenza delle mutazioni, risultano costituite da un solo clone. I nuovi cloni vengono individuati tramite la selezione clonale, che consente di isolare di nuovo il clone originario e quelli portanti caratteri pregiati.
Questa tecnica ha permesso l’introduzione di geni per il nanismo in molte piante da frutto (in tal modo è facilitata la raccolta) e in piante ornamentali. Inoltre all’interno delle varietà di mele, essa ha consentito di passare dalla cultivar Delidus alla Stark Delidus, alla Starling, alla Starkrimson, alla Red Chief. Le mutazioni operano a tre livelli: genico, cromosomico, genomico; vanno a modificare, in diverso grado, le strutture che presiedono alla trasmissione dei caratteri e quindi i caratteri stessi dell’individuo.


Mutazioni a livello genico (puntiformi)

In questo caso, ad essere modificati sono i geni che vengono sostituiti da nuovi geni. Gli effetti prodotti sono di carattere morfologico, cioè modificano il fenotipo; talvolta sono minimi, e allora sono considerati situazioni di variabilità normale, altre volte sono più rilevanti.
Le mutazioni che si verificano con bassa frequenza (1/100.000 o 1/1.000.000 di geni), senza una causa nota, sono dette spontanee. Accade, però, che la frequenza aumenti e che siano presenti agenti responsabili ben definiti quali raggi a, p, y, X, o sostanze chimiche dette mutageni.
Quando si parla genericamente di mutazione, si intende la mutazione a livello genico, in cui si verificano cambiamenti nella sequenza o nel numero dei nucleotidi del DNA o dell’RNA della cellula, quindi nella struttura molecolare del patrimonio genetico.
Se le mutazioni interessano i gameti o le cellule che li producono sono ereditarie; se si verificano in cellule somatiche sono trasmesse alle cellule figlie prodotte per mitosi.
Raramente le mutazioni sono vantaggiose: la maggior parte risulta dannosa e spesso una mutazione è causa di tumore.
L’ipotesi che la mutazione derivasse da una alterazione molecolare del gene fu possibile solo nel 1920 quando furono indotte mutazioni esponendo gli organismi a radiazioni ionizzanti, come i raggi a, P, y, X, che agivano come proiettili rompendo fisicamente le molecole che formavano i geni.


Le ghiandole salivari della drosofila (a) contengono particolari cromosomi (b), definiti giganti per la loro dimensione.



Quando, però, verso gli anni ’50 ci si accorse che le mutazioni insorgevano anche con radiazioni ultraviolette (più efficaci quelle della lunghezza d’onda assorbita dal DNA), o con sostanze chimiche come la formaldeide, la caffeina e l’acido nitroso, si pensò che la base della mutazione fosse chimica e non fìsica.
La mutazione spontanea insorgeva, inoltre, con maggior frequenza al variare della situazione metabolica e allo stadio di sviluppo dell’organismo colpito: le mutazioni aumentavano all’aumentare dell’età dell’individuo.
La scoperta della struttura del DNA chiarì l’origine della mutazione. Se, durante la replicazione, alla sequenza di tre basi (tripletta) si affaccia come complementare una tripletta diversa, perché per esempio la caffeina ha inibito l’adenina e comparirà la citosina, la nuova molecola di DNA codifica un amminoacido differente o nessun amminoacido e la proteina che si forma sarà diversa dalla precedente, incapace di svolgere la stessa funzione. L’organismo che la possiede sarà diverso, ossia mutante.


Pecore di razza Ancon, caratterizzate dall’avere zampe corte. Questa mutazione spontanea fu ritenuta utile dagli allevatori poiché le pecore non potevano saltare gli steccati dei recinti.



Mutazione genica su mela.

Le mutazioni geniche riguardano la sostituzione di un singolo nucleotide e sono dette mutazioni puntiformi; esse si verificano con meccanismi diversi: sostituzione, delezione, aggiunta di un singolo nucleotide che codificherà una proteina nuova. Si verifica cioè un “errore di stampa" che porta alla produzione di proteine sbagliate.
Ad esempio il DNA dell’emoglobina normale (filamento che viene trascritto) contiene la tripletta CTT mentre il filamento che viene trascritto, del DNA mutante, per sostituzione di una base di adenina con timina è CAT. Ne consegue che nel primo caso l’mRNA contiene la tripletta GAA che codifica per addo glutammico e nel secondo caso l’mRNA contiene GUA che codifica per la vaiina; si produce così l’emoglobina delle cellule dell’anemia falciforme. L’anomalia dipende quindi da una piccolissima variazione di un gene. L’errore è provocato dalla sostituzione di un nucleotide presente nel filamento di DNA che, una volta trascritto e poi tradotto, codificherà un diverso polipeptide. Le diverse possibilità sono esemplificate nello schema.
Qualche altra volta gli effetti sono meno gravi, magari a cambiare è il colore del frutto o del fiore.


L’alterazione di una lettera non consente di capire il senso della frase, come l’alterazione del nucleotide cambia il senso della proteina.



Mutazioni cromosomiche

Non inducono modificazioni morfologiche ma solo funzionali. Sono responsabili della sterilità degli ibridi negli incroci interspecifici.
Ad essere scambiati e modificati sono interi segmenti del cromosoma, che, recisi in modo non corrispondente, formeranno cromatidi con informazioni mancanti o ripetute.
Le modificazioni cromosomiche possono riguardare:
a)  il numero dei geni nel cromosoma: quando un segmento viene eliminato (delezione) o quando viene ripetuto (duplicazione);
b)  la posizione dei geni: quando il segmento cromosomico si inverte di 180° (inversioni) o quando nel tentativo di riparare una catena errata i capi sono saldati in modo errato.


Mutazioni genomiche

Durante la meiosi le coppie di cromosomi omologhi vengono separate e un membro di ogni coppia migra al polo opposto del fuso; essi però non migrano assieme e quindi vengono inclusi a caso in un genoma o nell’altro. Il riassortimento può avvenire in modo errato: ad esempio nel caso di difetto nei sistemi di microtubuli che separano i cromosomi, questi si dirigono verso lo stesso polo facendo modificare lo stato aploide (n) in diploide (2n), triploide (3n). Le mutazioni genomiche sono più frequenti nei vegetali che negli animali.
Variando il numero dei cromosomi, di solito varia la quantità di materiale ereditario e si può avere:
 aneuploidia, se c’è stato l’aumento o la diminuzione di uno o più cromosomi. Si parlerà di: nullosomici (2n 2), trisomici (2n + 1) ecc.;
 poliploidia, se si è avuta moltiplicazione o dimezzamento di tutti i cromosomi, cioè dell’intero genoma. Se il numero di cromosomi si dimezza si avranno aploidi (n); se si moltiplica, triploidi (3n), tetraploidi (4n), esaploidi (6n).
Nelle piante è molto importante ottenere individui poliploidi che hanno dimensioni maggiori. La poliploidia può essere indotta artificialmente impedendo la formazione del fuso mitotico e quindi la separazione dei cromosomi.


Mancata disgiunzione: ai poli opposti migrano dei cromosomi non disgiunti.



Esempio di assetto diploide, triploide, tetraploide

La sostanza più usata per indurla è la colchicina che blocca la mitosi di qualsiasi tessuto. Una mitosi bloccata torna allo stato precedente di riposo, ma siccome il DNA si è già replicato, il nucleo contiene il doppio di materiale genetico e alla mitosi successiva ci sarà il doppio dei cromosomi.
La poliploidia è un meccanismo ben conosciuto, grazie al quale vengono prodotte nuove specie intervenendo sulla formazione dei gameti.


Gli effetti della poliploidia sulle dimensioni, visti nella sezione trasversale del fusto di Datura stramonium.

Si può parlare di autopoliploidia quando il processo avviene per moltiplicazione del genoma di una stessa specie, di allopoliploidia quando dalla fusione di genomi di specie diverse si ottengono ibridi. Quasi la metà delle Angiosperme ha avuto origine tramite poliploidia.In alcuni casi i poliploidi sono sterili, ma ciò torna a vantaggio, come nelle piante da frutto, dove la presenza dei semi può diminuire il valore commerciale (melo, banano, arancio).


(a) Se durante la meiosi si ha nondisgiunzione compariranno gameti diploidi (2n), la cui unione formerà un organismo tetraploide (4n) che potrà riprodursi normalmente per via sessuata; (b) forme diploidi e tetraploidi di Haplopappus gracilis.


Dall’unione di due specie diverse si ottiene un ibrido che, pur possedendo caratteristiche positive, spesso superiori a quelle dei progenitori, non dà vita a una nuova specie, perché durante la profase della meiosi gli alleli non riescono ad accoppiarsi, essendo diversi tra loro. Pertanto i gameti appaiono squilibrati e l’ibrido è sterile. Se insorge la poliploidia il numero dei cromosomi raddoppia, si ha la formazione di gameti e la ripresa della fertilità.


Metafasi di cellule di Datura stramonium: (a) pianta con 24 cromosomi; (b) pianta tetraploide con 48 cromosomi

Verifiche

Domande a risposta aperta
Rispondi in tre righe alle seguenti domande.
1.    In cosa si differenziano una cellula procariote e una cellula eucariote?
2.    Come si differenziano i cromosomi procariotici da quelli eucariotici?
3.    Come avviene la sintesi delle proteine nelle cellule procariote e nelle cellule eucariote?
4.    Descrivi le fasi della trascrizione nei procarioti e negli eucarioti.
5.    Cosa dice il dogma centrale della biologia?
6.    Cosa è e come avviene la regolazione genica nei procarioti e negli eucarioti?
7.    Quali sono i modelli dell’espressione genica più conosciuti in E. coli?
8.    Cosa sono le forcelle e le bolle di replicazione?
9.    Perché il processo di duplicazione del DNA è detto semiconservativo?
10.   Quali sono e cosa avviene nelle varie fasi del ciclo cellulare?
11.   In cosa si differenziano mitosi e meiosi?
12.   Descrivi le leggi di Mendel alla luce delle conoscenze moderne.
13.   Che cosa è il linkage?
14.   Da cosa sono provocate le mutazioni?
15.   Come si distinguono le mutazioni?
16.   Perché le mutazioni genomiche sono più frequenti nei vegetali che negli animali?

Scegli la risposta esatta
1.    Gli introni sono
segmenti di DNA codificanti
segmenti di DNA non codificanti 
proteine che impacchettano e riducono il volume di DNA
2.    Il processo di replicazione del DNA si definisce
semiconservativo
riduzionale 
conservativo
3.    La fase del ciclo cellulare in cui la cellula si prepara a iniziare la replicazione del DNA si chiama
G1
G2
M
4.    La fase del ciclo cellulare in cui i filamenti di DNA duplicati si separano e il citoplasma si strozza nella zona intermedia si chiama
sporogenesi
scissione binaria
  gemmazione
5.    La fase del ciclo cellulare, il processo al termine del quale si vengono a formare quattro cellule figlie aploidi derivate da un’unica madre, è detto
sporogenesi
mitosi
meiosi
6.    Uno dei primi eventi che distingue la meiosi avviene in profase I e riguarda
la perdita della membrana nucleare
l'appaiamento dei cromosomi omologhi 
la condensazione dei cromosomi
7.    L’informazione genetica delle cellule di tutti gli organismi viventi è contenuta
nella membrana plasmatica
nel DNA
 nel RNA
8.    Le due forme alternative di uno stesso gene sono
cromatidi
cromosomi
  alleli
9.    Le mutazioni puntiformi avvengono a livello
genico
cromosomico
  genomico
10.    Le piante di uva senza semi con tre coppie di ciascun cromosoma sono
triploidi
aploidi
 poliploidi
11.    Sequenze di DNA e proteine che evitano la perdita di informazioni durante la duplicazione dei cromosomi sono
trasposoni
telomeri
  istoni
12.    La combinazione fra la subunità ribosomiale più piccola, tRNA e mRNA è detta
complesso d'inizio
fase di terminazione
regolazione genica

Rispondi con Vero/Falso
1. Genoma è la serie completa dei geni presenti
nel corredo cromosomico diun individuo..........................V F
2. Le cellule somatiche si dividono per meiosi..................V F
3. La mitosi è sinonimo di ciclo cellulare......................V F
4. Col termine alleli si indicano generalmente
due organismi con uguale corredo cromosomico....................V F
5. Eterozigote è un individuo con alleli
identici per un gene............................................V F
6. I cambiamenti a livello di RNA si chiamano mutazioni.........V F
7. In un incrocio monoibrido si prende in
considerazione l’interazione degli alleli di un solo gene.......V F
8. La guanina è associata alla citosina.........................V F
9. Le sostanze chimiche che possono
danneggiare il DNA sono dette sostanze mutagene.................V F
10. Crossing over è lo scambio di segmenti
tra due cromosomi omologhi, durante la meiosi...................V F
11. Gli autosomi sono cromosomi presenti
solo nelle cellule somatiche....................................V F
12. I ribosomi sono i siti della sintesi proteica...............V F
13. I cromosomi iniziano a rendersi visibili
al microscopio ottico durante la profase........................V F
14. La molecola del DNA è formata da
una doppia elica di nucleotidi..................................V F
15. Il codice genetico è organizzato in
coppie di nucleotidi............................................V F
16. La timina corrisponde alla guanina..........................V F
17. L’uracile è presente solo nell’RNA..........................V F
18. Le mutazioni geniche riguardano il
numero di cromosomi.............................................V F
19. L’operone è formato da promotore,
operatore e geni strutturali....................................V F
20. L’operone Lac è utilizzato dalle cellule
per la sintesi del lattosio.....................................V F
21. L’operone triptofano permette la demolizione
del triptofano..................................................V F
22. Splicing, capping e poliadenilazione
sono eventi della maturazione del trascritto....................V F
23. I frammenti di Okazaki si formano
durante la sintesi proteica.....................................V F
24. Il processo di replicazione del DNA è
detto semiconservativo..........................................V F
25. I caratteri multifattoriali sono mendeliani.................V F

BIOLOGIA APPLICATA E BIOTECNOLOGIE AGRARIE
BIOLOGIA APPLICATA E BIOTECNOLOGIE AGRARIE
GENETICA, TRASFORMAZIONI, AGROAMBIENTE