MUTAZIONI GENETICHE

Nel post sul meccanismo molecolare delle degenerazioni retiniche, legate alle mutazione di ABCA4, ho dato per scontato cosa si intende per mutazione genetica. In effetti mi rendo conto non sia scontato aver un’idea di cosa sono le mutazioni.

 

Chiedo venia. Vediamo se riesco a rimediare.

 

In breve, per mutazione genetica si intende un evento che comporta una variazione stabile ed ereditabile della sequenza del codice genetico.

 

Queste variazioni possono essere spontanee e casuali, oppure possono essere causate da agenti esterni, come farmaci, radiazioni o sostanze tossiche. Sono comunemente percepite come eventi nefasti, portatori di malattia, ma non è sempre così. Le mutazioni genetiche spontanee sono l’essenza della variabilità genetica: senza questo meccanismo previsto dalla natura, non sarebbe possibile migliorare le caratteristiche degli esseri viventi nel corso delle generazioni. A prescindere dalle correnti di pensiero evoluzionistiche o creazionistiche, che a mio modesto avviso sono un’altra storia, la variabilità genetica è un fenomeno che si manifesta continuamente anche nella nostra vita quotidiana.

 

E’ grazie a questa variabilità che ogni specie vivente può, nelle generazioni , migliorare i propri caratteri, perché variabilità e selezione naturale lavorano sinergicamente a questo scopo. Le mutazioni del codice genetico che portano miglioramenti vengono trasferite alle generazioni mentre quelle che causano danni, generalmente, si fermano. E’ cinica e fredda come visione, ma nella natura non esiste bene o male: esiste la lotta per la prosecuzione della specie. Quello che è buono si tramanda nelle generazioni, quel che è male prima o poi si perde. 

 

Tutto questo però fa capire quanto l’uomo con l’intervento farmacologico possa stravolgere questo meccanismo. Siamo tutti d’accordo: la farmacologia è uno dei migliori frutti del benessere, dimostrato dalla crescente aspettativa di vita anche per malati cronici. Ma questo comporterà che alcune malattie non riusciranno tanto facilmente ad essere eliminate dal nostro corredo genetico...

 

Si può, quindi, fare una grossa classificazione in funzione degli effetti biologici che queste possono avere. Possono infatti essere:

• mutazione positiva: porta un vantaggio evolutivo;
• mutazione neutra: non ha effetti sulla capacità di riproduzione dell’individuo;
• mutazione semiletale: rende più difficoltosa la perpetuazione riproduttiva dell’individuo (il tipico esempio sono le malattie genetiche che debilitano in qualche modo l’individuo, rendendolo meno capace di riprodursi, senza però impedirglielo totalmente);
• mutazione subletale: non permette all’individuo di raggiungere l’età riproduttiva;
• mutazione letale: porta alla morte dell'individuo.

Per entrare in merito alle dinamiche delle mutazioni, come al solito, tocca fare un po’ di panoramica sul nostro codice genetico. Abbiate pazienza.

Il meccanismo con cui funziona il flusso di informazione nella nostra vita si può assimilare al sistema cifrato usato in guerra, per trasmettere informazioni segrete. Si basa su una triade perfetta: 

 

DNA: è la forma di archiviazione “segreta e protetta” delle informazioni necessarie alla nostra vita. Le informazioni sono sparpagliate e cifrate all’interno di sequenze grandi chiamate Geni. Ogni gene ha una specifica informazione che, però, non è utilizzabile direttamente ma va trascritta in forma leggibile, rappresentata dall’RNA. 

 

RNA: è il risultato di un processo che trascrive le informazioni in istruzioni necessarie per eseguire gli ordini contenuti nel DNA. In questa forma le informazioni del DNA sono state decodificate e sono pronte per essere usate allo scopo di produrre gli elementi fondamentali per far funzionare i processi biologici: le Proteine.

 

PROTEINE: Si ottengono mediante una vera e propria Traduzione delle istruzioni contenute nell’RNA. Sono gli esecutori che mettono in pratica le informazioni contenute nel DNA. Tutto ciò che lavora per costruirci e per farci funzionare a dovere è costituito o prodotto dalle proteine.

 

DNA

 

 

L’Acido Desossi-ribo.Nucleico (DNA), come sopra detto, è la forma con cui la natura archivia le informazioni relative alla nostra vita all’interno di ogni singola cellula.

E’ costituito da una immensa sequenza di quelli che sono gli elementi con cui l’informazione viene codificata: le Basi Azotate del DNA.

• Adenina (A);

• Timina (T);

• Citosina (C);

• Guanina (G).

 

 

 

Queste basi sono organizzate in Geni, a loro volta costituiti da diverse aree, alternate fra loro. Queste sono:

 

INTRONI: sequenze che non hanno significato in termini di informazione, ma servono per frammentare il gene.   

ESONI: regioni contenenti l’informazione genetica caratteristica di quel gene.

 

Perché un’organizzazione così complessa? Il motivo sarà ancora più chiaro comprendendo le mutazioni geniche; la necessità di tale frammentazione dell’informazione genetica sta nella necessità di proteggere le zone codificanti dai danni che può subite il DNA. 

E’ una questione statistica: se sparpaglio le informazioni in un’area molto ampia, statisticamente sarà più difficile che una mutazione colpisca l’area che porta l’informazione preziosa, dando maggiori possibilità di preservazione della stessa.

I lunghissimi filamenti di basi sono organizzati in doppi filamenti complementari, appaiati a formare una doppia elica.

Dei due filamenti, uno viene definito Codificante, perché è quello che porta l’informazione genetica; l’altro, detto Complementare, serve per formare la doppia elica stabile ma, soprattutto, serve come stampo per riformare il filamento codificante, in caso di danneggiamento di dna.

Queste eliche sono al loro volta arrotolate e ripiegate,  formando i famosi Cromosomi. 

 

In questo modo, oltre ad ottimizzare il poco spazio nucleare per stipare tutto il materiale genetico, si capisce che i singoli geni sono ben protetti dai danni. E’ sempre la strategia statistica, usata anche dai branchi di animali selvatici.

L’insieme dei cromosomi presenti in un individuo costituisce il corredo cromosomico umano. Quello umano è costituito da 23 coppie di Cromosomi, uguali a due a due, eccezion fatta per i cromosomi sessuali (XY nell’uomo e XX nella donna): ecco perché siamo organismi Diploidi.

Abbiamo, quindi, 46 Cromosomi racchiusi nei nuclei delle nostre cellule somatiche. 

 

Unica eccezione a questa regola sono i gameti (Spermatozoi e Ovociti), che presentano un corredo Aploide, ovvero contengono singole copie di cromosomi (23 in tutto quindi).

Con la riproduzione sessuata, mediante Fecondazione,  si ha la fusione delle due cellule germinali e del relativo corredo Aploide, ottenendo un individuo Diploide: noi. 

Dato che i cromosomi esistono in doppia copia, anche i geni saranno presenti in due versioni: quella paterna e quella materna. Le due versioni di uno stesso gene sono definite ALLELI.

 

Per chi volesse complicarsi la vita, si può scendere più nel dettaglio, ma non è strettamente necessario:

Il rimescolamento dei geni che si verifica nella meiosi (fenomeno alla base della duplicazione dei gameti) e nella successiva fecondazione dà origine a nuove combinazioni di alleli nella prole. I due alleli che occupano posizioni omologhe possono avere o no la stessa forma molecolare. Nel caso in cui i due alleli sono uguali, si parla di condizione Omozigote mentre nel caso in cui essi sono diversi si parla di condizione Eterozigote. Spesso, quando i due alleli che occupano loci omologhi sono diversi, un allele è dominante, vale a dire i suoi effetti su un certo carattere ereditario mascherano gli effetti di qualsiasi altro allele recessivo che occupi il locus omologo. Per designare un allele dominante si usa una lettera maiuscola, mentre per designare il corrispondente allele recessivo si usa la stessa lettera, ma minuscola (ad esempio A e a).

Viene detto Omozigote Dominante per un dato carattere un individuo che, per quel carattere, possiede due alleli dominanti (AA), mentre viene detto Omozigote Recessivo un individuo che possiede due alleli recessivi (aa). Infine, viene detto Eterozigote un individuo che, per quel carattere, ha due alleli diversi (Aa). Un allele dominante sarà espresso sempre, anche se l'individuo è eterozigote. Un allele recessivo potrà essere espresso solo in individui omozigoti recessivi.

Per distinguere i geni di un individuo dai caratteri che, a causa di quei geni, esso manifesta, si usano i termini genotipo e fenotipo. Con genotipo si intende l’insieme di tutti i geni, mentre con fenotipo  si intende l’insieme dei caratteri fisici, chimici o comportamentali osservabili.

 

Scusate la parentesi complicata, ma per chi mastica biologia può essere utile per capire ancora meglio la nostra situazione.

Tornando a noi, le informazioni contenute nel DNA non sono direttamente impiegabili per la nostra vita, a causa della presenza di Esoni e Introni. Ecco perché devono essere trascritte in una forma comprensibile, rappresentate dall’RNA.

 

 

RNA e Proteine

 

L’RNA è molto simile al DNA: le differenze sostanziali sono:

·        conta sempre 4 basi ma qui, al posto della Timina, si trova l’Uracile (U);

·        non è in forma di doppia elica, bensì di singolo filamento;

·        contiene informazioni genetiche che, in seguito ad alcune trasformazioni, sono direttamente utilizzabili per la sintesi delle proteine.

 

Una volta ottenuto, sulla base del DNA, l’RNA deve essere trasformato nella forma utilizzabile per la sintesi proteica. Il processo si chiama Maturazione e consiste in un vero e proprio taglia e cuci: rimuovendo gli introni e ricucendo tra loro i vari Esoni, si ottiene la forma di RNA utilizzabile per la sintesi proteica, ovvero l’RNA messaggero o mRNA.

 

 

 

 

Nell’ mRNA l’informazione è codificata utilizzando gruppi di tre basi per volta (in realtà questo tipo di divisione è già presente in ogni esone del DNA ma, per semplicità, ragioniamoci a partire dall’RNA): ogni tripletta prende il nome di Codone. Le triplette ottenibili, dato che abbiamo 4 basi, saranno 4³ = 64. Di queste 64:

 

·        61 corrispondono a uno specifico amminoacido,

·        3 codificano segnali di Stop della Traduzione, ovvero stabiliscono a che punto deve interrompersi l'assemblamento della proteina. Sono i codoni UAA – UAG e UGA.

 

Le PROTEINE, invece, sono il prodotto della Traduzione dell’informazione portata dall’RNA e, infatti, la loro struttura base consta di una sequenza aminoacidica. In realtà le Proteine sono strutture molto complesse e tridimensionalmente organizzate, come si vede nella foto qui sotto. Non entriamo in dettaglio per non complicare le cose.

  

 

  Emoglobina Umana

 

C’è da notare che il numero di amminoacidi combinati e usati nel nostro organismo per produrre proteine è di 20 (sono chiamati anche i Magic Twenty).

Come mai allora ci sono 61 codoni diversi?

Beh, è previsto che 18 dei venti aminoacidi possano essere codificati da più di un codone: uniche eccezioni sono l’aminoacido Triptofano e Metionina, codificati solo da UGG e AUG, rispettivamente. La tripletta AUG, anche detta Codone di Inizio, è la tripletta con cui iniziano tutte le sintesi proteiche: questo vuol dire che tutte le proteine iniziano con l’amminoacido Metionina.

 

 

	U	UUU  Fenilalanina UUC  Fenilalanina UUA  Leucina UUG  Leucina	UCU Serina UCC Serina UCA Serina UCG Serina	UAU  Tirosina UAC  Tirosina UAA  Stop UAG  Stop	UGU  Cisteina UGC  Cisteina UGA  Stop UGG Triptofano
	C	CUU  Leucina CUC  Leucina CUA  Leucina CUG  Leucina	CCU Prolina CCC Prolina CCA Prolina CCG Prolina	CAU  Istidina CAC  Istidina CAA  Glutammina CAG  Glutammina	CGU  Arginina CGC  Arginina CGA  Arginina CGG  Arginina
	A	AUU Isoleucina AUC Isoleucina AUA Isoleucina AUG Metionina, Start	ACU Treonina ACC Treonina ACA Treonina ACG Treonina	AAU  Asparagina AAC  Asparagina AAA  Lisina AAG  Lisina	AGU  Serina AGC  Serina AGA  Arginina AGG  Arginina
	G	GUU Valina GUC Valina GUA Valina GUG Valina	GCU Alanina GCC Alanina GCA Alanina GCG Alanina	GAU Acido Aspartico GAC Acido Aspartico GAA Acido Glutammico GAG Acido Glutammico	GGU  Glicina GGC  Glicina GGA  Glicina GGG  Glicina

I 64 codoni e gli amminoacidi corrispondenti ad ognuno di essi

 

 

Ala	A	GCU, GCC, GCA, GCG	Leu	L	UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Arg	R	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG	Lys	K	AAA, AAG
Asn	N	AAU, AAC	Met	M	AUG
Asp	D	GAU, GAC	Phe	F	UUU, UUC
Cys	C	UGU, UGC	Pro	P	CCU, CCC, CCA, CCG
Gln	Q	CAA, CAG	Ser	S	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
Glu	E	GAA, GAG	Thr	T	ACU, ACC, ACA, ACG
Gly	G	GGU, GGC, GGA, GGG	Trp	W	UGG
His	H	CAU, CAC	Tyr	Y	UAU, UAC
Ile	I	AUU, AUC, AUA	Val	V	GUU, GUC, GUA, GUG
Start		AUG, GUG	Stop		UAG, UGA, UAA

Qui sopra ci sono i 20 amminoacidi e i codoni che li codificano

 

Un esempio, per capirci.

Prendiamo la sequenza di RNA AUG-GUU-AAA-GCC-UGU-UAG:  contiene le informazioni per la sintesi proteica di una pentapeptide (cioè composto da 5 aminoacidi) la cui sequenza aminoacidica sarà Met-Val-Lys-Ala-Cis.

Anche questa strategia, che rende degenere il codice genetico,  ha il solo scopo di proteggere l'informazione genetica da danni pericolosi, come si potrà capire più avanti.

Avendo ora un’idea di come funzionano grossomodo le cose, possiamo entrare nel campo delle Mutazioni.

MUTAZIONI GENETICHE

Come si diceva, per mutazione genetica si intende ogni variazione stabile ed ereditabile del materiale genetico. Possono avere luogo a livello di uno o più geni, interessare parte o interi cromosomi o, nei casi peggiori, interessare il genoma intero.

Mi limiterò a trattare delle Mutazioni Geniche, che hanno luogo a livello dei geni.

Si tratta di alterazioni nella sequenza delle basi del DNA, a livello di un gene specifico: ABCA4 nel nostro caso.

Le mutazioni geniche che ci interessano direttamente sono le

 

MUTAZIONI PUNTIFORMI

Si tratta di mutazioni che riguardano singole basi o  sequenze relativamente corte (massimo 50 basi). A seconda che si realizzino a livello di un Esone piuttosto che di un Introne, potranno avere o meno effetti sul portatore. Nel primo caso l’effetto della mutazione avrà ripercussioni sull’RNA trascritto e, infine, sulla proteina Tradotta.

Ma vediamo in cosa consistono.

SOSTITUZIONI: una base viene sostituita da un'altra base. Queste, a loro volta, possono essere:

• Silente: il codone cambia ma codifica sempre lo stesso aminoacido (!);

• Missenso: il codone codifica un amminoacido diverso;

• Nonsenso: il nuovo codone codifica il segnale di Stop.

• Neutra o Sinonima: il nuovo codone codifica per un amminoacido con caratteristiche chimico-fisiche analoghe al’originale.

Un esempio.

UAC codifica Cisteina. In caso di Sostituzione può avvenite che:

UGC → UGG: nessun problema, perché codifca ancora per Cis;

UGC → UGG: al posto di Cis verrà inserito nella proteina il  Triptofano;

UGC → UGA (codone di Stop): la proteina sarà interrotta qui e verrà prodotta in forma monca = GUAI!

 

INSERZIONI: viene inserita una base in un punto della sequenza.

DELEZIONI: viene eliminata una base all’interno della sequenza, con gli effetti sopra detti.

Queste ultime due causano il cosiddetto FRAME SHIFT, ovvero comportano una variazione della chiave di lettura della sequenza (tranne se vengono inserite o eliminate 3 o multipli di tre basi per volta).

IL MIO CASO

 

Il gene abca4 è formato da ben 50 esoni: questo per dare un’idea delle sue dimensioni (e non è uno dei più grandi).

Dall’esame genetico, i ragazzi della genetica del Careggi ,hanno trovato che il mio gene ha subito due mutazioni:

• Inserzione di 4 basi (CAAA) all’altezza della 250° posizione lungo la sequenza del DNA, già presente e documentata in letteratura.

• il codone relativo al 556° amminoacido ora dice che, sulla mia proteina ABCA4, deve esserci una Valina anziché una Metionina. Si tratta quindi di una Sostituzione.

Beh, cosa volete: è l’estro della natura. Chissà che, magari fra tre o quattro generazioni, queste mutazioni che ora appaino portatrici di guai non si sommino ad altre mutazioni, faccendo in modo che i miei tris nipoti potranno avere una vista all’infrarosso...

Chi lo può dire?

Quello che oggi mi fa soffrire magari domani renderà migliori i miei ignari nipoti.