Esercizi: Le mutazioni

Che cos'è una mutazione? Spiega la differenza tra una mutazione genica (o puntiforme) e una mutazione cromosomica, fornendo un esempio di ciascuna.

Nello schema, la sequenza A è un frammento di mRNA normale e le sequenze B e C hanno subito una mutazione. Indica quale tipo di mutazione (sostituzione, inserzione o delezione) si è verificato in ciascuna di esse e spiega quale provoca uno scorrimento del modulo di lettura e perché.

Nomina due agenti mutageni, uno fisico e uno chimico, e spiega brevemente come danneggiano il DNA.

Classifica le seguenti mutazioni puntiformi in base al loro effetto sulla proteina: una sostituzione che non cambia l'amminoacido, una sostituzione che lo cambia con un altro e una sostituzione che trasforma un codone in uno di terminazione. Indica quale delle tre è di solito la più grave e perché.

Che cos'è una mutazione cromosomica strutturale? Fai due esempi di alterazioni strutturali dei cromosomi (delezione, duplicazione, inversione o traslocazione) e spiega brevemente in che cosa consiste una di esse.

Le mutazioni possono essere spontanee o indotte. Spiega la differenza tra le due e fai un esempio di causa per ciascun tipo.

Sono tutte le mutazioni dannose? Motiva la risposta e fai un esempio di mutazione che si è rivelata vantaggiosa per una specie.

Spiega che cos'è il tasso di mutazione e motiva perché gli esseri viventi mantengono tassi di mutazione bassi ma non nulli, mettendolo in relazione con l'equilibrio tra stabilità genetica e variabilità.

Una mutazione cambia il codone GAA in GAG, ed entrambi i codoni codificano lo stesso amminoacido (acido glutammico). Come si chiama questo tipo di mutazione e perché non altera la proteina risultante?

Spiega la differenza, per quanto riguarda le sue conseguenze e la sua trasmissione alla discendenza, tra una mutazione che avviene in una cellula somatica e una che avviene in una cellula germinale.

Si dice che le mutazioni siano la fonte primaria di variabilità genetica. Spiega quale relazione esiste tra le mutazioni, l'evoluzione delle specie e la biodiversità.

In un gene si verifica la delezione di un singolo nucleotide all'interno della regione codificante. Spiega che cosa accade alla cornice di lettura a partire da quel punto, perché possono cambiare tutti gli amminoacidi successivi e stabilisci se una delezione di questo tipo sarà più dannosa se situata all'inizio del gene o alla fine.

Le cellule possiedono sistemi di riparazione del DNA che correggono molti dei danni sfuggiti alla DNA polimerasi. Spiega che cosa accade quando un danno non viene riparato e stabilisci perché le persone con xeroderma pigmentoso, che hanno difettoso il sistema che ripara i dimeri di timina causati dalla luce ultravioletta, presentano un rischio così alto di cancro della pelle.

La sindrome di Down è dovuta alla presenza di una copia extra del cromosoma 21 (trisomia 21). Spiega di che tipo di mutazione si tratta, come può originarsi da una non disgiunzione durante la meiosi e stabilisci perché le mutazioni di questo tipo influiscono su molti caratteri contemporaneamente.

Una mutazione situata nella regione regolatrice di un gene impedisce che questo venga trascritto, anche se la sua sequenza codificante è del tutto normale. Spiega come sia possibile e confronta l'effetto di questa mutazione con quello di una sostituzione all'interno di un esone dello stesso gene.

I retrovirus, come l'HIV, copiano il proprio genoma mediante la trascrittasi inversa, un enzima privo di attività correttrice. Spiega perché questi virus presentano tassi di mutazione molto elevati e indica quali conseguenze ha questo fatto per il trattamento delle infezioni che causano e per lo sviluppo di vaccini.

Nel gene CFTR, la mutazione più frequente responsabile della fibrosi cistica (ΔF508) consiste nella perdita di tre nucleotidi: CTT. La sequenza del filamento codificante del DNA tra i codoni 506 e 509 è:

5'-... ATC ATC TTT GGT ...-3' (Ile506 - Ile507 - Phe508 - Gly509).

Dopo la delezione dei tre nucleotidi centrali CTT (l'ultima base di ATC 507 e le prime due di TTT 508), la sequenza risultante è: 5'-... ATC ATT GGT ...-3'.

1. a) Sapendo che sia ATC sia ATT codificano l'isoleucina, giustifica perché questa mutazione non altera la cornice di lettura successiva e qual è l'unica alterazione subita dalla struttura primaria della proteina CFTR.
2. b) In un altro paziente si rileva la delezione di un solo nucleotide in quella stessa regione (la perdita della «C» nel tripletta 507). Spiega quali conseguenze avrà questa mutazione sulla cornice di lettura, sulla sequenza di amminoacidi a valle e sulla probabilità che la proteina risulti troncata.
3. c) Esistono farmaci in sviluppo («correttori») che permettono alla proteina CFTR di raggiungere la membrana cellulare se conserva la sua lunghezza completa, anche se manca di un amminoacido. Prevedi motivando quale dei due pazienti potrebbe beneficiare di questa terapia e perché nell'altro risulterà del tutto inefficace.

In una regione dove la malaria è endemica, la frequenza dell'allele mutante $Hb^S$ (responsabile dell'anemia falciforme in omozigosi) si mantiene stabile intorno a 0,12 grazie al vantaggio selettivo che conferisce agli eterozigoti nei confronti dell'infezione da Plasmodium.

1. a) Dopo una campagna sanitaria intensiva, la malaria viene completamente eradicata in tale regione. Prevedi motivando come evolverà la frequenza dell'allele $Hb^S$ nel corso delle generazioni successive.
2. b) Giustifica perché l'allele $Hb^S$ non scomparirà immediatamente dalla popolazione, pur essendo letale o gravemente dannoso in omozigosi.
3. c) Una persona afferma: «Poiché la malaria è scomparsa, la mutazione $Hb^S$ ha smesso di esistere nella popolazione». Confuta questa affermazione distinguendo chiaramente tra l'origine di una mutazione e il suo valore adattativo in funzione dell'ambiente.

Durante la replicazione del DNA di un batterio, la DNA polimerasi incorpora per errore un desossiribonucleotide di guanina (G) di fronte a una timina (T) dello stampo, originando un appaiamento errato G-T in uno dei filamenti appena sintetizzati che non viene rilevato dall'attività correttrice immediata.

1. a) Deduci quale percentuale delle molecole di DNA a doppio filamento discendenti porterà una mutazione permanente e fissata in entrambi i filamenti dopo due cicli successivi di replicazione a partire da quella molecola iniziale.
2. b) Giustifica come si distribuiscono le coppie di basi risultanti in ciascuna delle quattro molecole di DNA finali, supponendo che la coppia di partenza fosse A-T e che non agisca alcun sistema di riparazione successivo.
3. c) Il sistema di riparazione dei appaiamenti errati (mismatch repair) è efficace solo se agisce prima che il filamento appena sintetizzato venga metilato. Giustifica quale conseguenza avrebbe per la stabilità del genoma il fatto che questo sistema riparasse il filamento stampo metilato anziché il filamento figlio appena formato.

Per studiare l'origine della resistenza agli antibiotici, è stato progettato un esperimento ispirato a quello di fluttuazione di Luria e Delbrück: sono state inoculate 20 provette indipendenti con un numero identico e molto basso di batteri sensibili all'ampicillina, lasciandoli crescere fino a saturazione. Contemporaneamente, è stata coltivata una grande beuta con un volume equivalente a quello delle 20 provette insieme. In seguito, sono state seminate aliquote uguali su piastre contenenti ampicillina:

• I campioni provenienti dalla beuta grande hanno prodotto un numero di colonie resistenti molto simile tra loro (media di 24 colonie, con varianza molto bassa).

• I campioni delle 20 provette indipendenti hanno mostrato un'enorme fluttuazione: la maggior parte delle provette ha dato 0 o 1 colonia resistente, mentre poche hanno dato più di 300 colonie.

1. a) Interpreta questi risultati: dimostrano che la resistenza è indotta dal contatto con l'antibiotico o che è dovuta a mutazioni spontanee preesistenti? Giustifica la risposta spiegando la causa della grande varianza tra le provette indipendenti.
2. b) Prevedi quale risultato si sarebbe osservato sulle piastre delle 20 provette se la presenza dell'antibiotico fosse lo stimolo diretto che provoca la mutazione in una piccola frazione costante di batteri.

Nel gene di un enzima metabolico essenziale vengono analizzati due mutanti indipendenti che presentano alterazioni nel codone numero 45, la cui tripletta originale nell'mRNA è GGU (glicina):

• Mutante 1: presenta il codone AGU (serina).

• Mutante 2: presenta il codone UGU (cisteina).

1. a) Se il residuo 45 si trova sulla superficie dell'enzima, esposto all'ambiente acquoso e lontano dal centro catalitico, prevedi motivando quale delle due sostituzioni avrà minore probabilità di alterare la conformazione attiva della proteina.
2. b) Si verifica che, ossidando leggermente l'ambiente, il mutante 2 forma aggregati molecolari giganti e inattivi costituiti da dimeri covalenti dell'enzima, fenomeno assente nel tipo selvatico e nel mutante 1. Giustifica a livello chimico questo comportamento.
3. c) Se un terzo ceppo mutante presenta in quello stesso codone la tripletta GGA, quale conseguenza fenotipica avrà sull'attività enzimatica? Giustifica la risposta indicando la proprietà del codice genetico che spiega questo fatto.

Sequenziando genomi completi di una specie, si osserva empiricamente che il tasso di transizioni spontanee è doppio rispetto a quello delle trasversioni (rapporto 2:1), nonostante il numero di trasversioni possibili sulla carta sia il doppio di quello delle transizioni (rapporto teorico 1:2).

1. a) Giustifica a livello stereochimico perché la DNA polimerasi commette e lascia passare con maggiore frequenza una transizione rispetto a una trasversione durante la replicazione del DNA.
2. b) Osserva la terza posizione dei codoni nelle famiglie a quattro caselle del codice genetico (per esempio, valina: GUU, GUC, GUA, GUG). Giustifica perché una transizione in quella posizione ha un effetto neutro sulla sequenza polipeptidica e prevedi se una trasversione in quella stessa posizione avrebbe la stessa innocuità biologica.
3. c) Prevedi quale alterazione nei tassi di mutazione subirebbe una cellula se una mutazione inattivasse selettivamente il dominio esonucleasico 3'→5' della sua DNA polimerasi principale.

L'analisi genomica di un neonato perfettamente sano rivela che porta circa 70 mutazioni puntiformi de novo assenti nel genoma dei genitori. I suoi familiari temono che queste mutazioni provochino lo sviluppo di malattie gravi in futuro.

1. a) Servendoti dell'organizzazione del genoma umano e delle caratteristiche del codice genetico, giustifica perché la stragrande maggioranza di queste 70 mutazioni puntiformi è priva di effetto fenotipico apprezzabile.
2. b) Supponi che una di queste mutazioni puntiformi si trovi nel dinucleotide conservato che segna il sito di taglio e giunzione (splicing) del primo introne di un gene essenziale. Prevedi e giustifica le conseguenze molecolari sull'mRNA maturo e sulla proteina tradotta.
3. c) Può una mutazione puntiforme situata in una regione intergenica non codificante alterare la quantità di proteina sintetizzata da un gene contiguo? Giustifica la risposta proponendo un meccanismo molecolare concreto.

In un saggio di evoluzione sperimentale in laboratorio, due popolazioni batteriche (ceppo standard con tasso di mutazione normale e ceppo mutatore con un tasso di mutazione 150 volte superiore per un difetto nella riparazione del DNA) vengono sottoposte a dosi letali crescenti di un nuovo farmaco tossico.

1. a) Durante i primi cicli di esposizione, il ceppo mutatore genera cloni vitali resistenti con una rapidità significativamente maggiore rispetto al ceppo standard. Interpreta questo risultato in termini di variabilità genetica e selezione naturale.
2. b) Dopo mille generazioni in un ambiente ottimale e costante, privo di qualsiasi tossico, il ceppo mutatore subisce un marcato calo della sua efficienza biologica (fitness) e un declino demografico rispetto al ceppo standard. Giustifica questo declino basandoti sulla natura della maggior parte delle mutazioni e sul concetto di carico mutazionale.
3. c) Sulla base dei risultati precedenti, formula un'ipotesi che spieghi perché la selezione naturale ha favorito tassi di mutazione molto ridotti, ma non rigorosamente pari a zero, negli esseri viventi.

Sfida del tema. Come consulente genetico, devi analizzare l'impatto molecolare di una mutazione reale nel gene umano $HBB$ (responsabile dell'anemia falciforme) e proporre una soluzione biotecnologica.

1. Raccolta dei dati: Accedi alla banca dati pubblica NCBI ClinVar o Ensembl, individua il gene $HBB$ ed estrai la tripletta originale del codone 6 a confronto con la variante patogena dell'emoglobina S (c.20A>T, p.Glu7Val in ClinVar; Glu6Val nella numerazione classica).

2. Flusso dell'informazione genetica: Elabora una tabella comparativa in cui rappresenti la replicazione del frammento di DNA (filamento stampo e complementare), la sua trascrizione in mRNA e la traduzione nel peptide risultante. Classifica la mutazione a livello molecolare e prevedi come questo cambiamento di amminoacido influisce sulla conformazione tridimensionale dell'emoglobina.

3. Regolazione e relazione terapeutica: Redigi una relazione motivata (1,0-1,5 pagine) in cui spieghi perché durante la fase fetale la patologia non si manifesta (silenziamento e regolazione genica di $HBB$ rispetto alle globine fetali). Formula un'ipotesi fondata su come riattivare l'espressione della globina fetale mediante editing genomico per trattare la malattia.

Verranno valutati:

• Rigore e accuratezza nel dedurre i processi di replicazione, trascrizione e traduzione a partire da dati reali di NCBI.

• Adeguata classificazione della mutazione e sua correlazione con la struttura proteica.

• Integrazione critica dei meccanismi di regolazione dell'espressione genica nella proposta terapeutica.