Esercizi: Le mutazioni

Spiega che cos'è una mutazione e quando compare di solito (errori nella copiatura del DNA o azione di agenti esterni).

Distingui tra una mutazione che avviene in una cellula somatica (per esempio, della pelle) e una che avviene in una cellula germinale: quale delle due può essere trasmessa alla discendenza?

Cita tre agenti mutageni, fisici o chimici, e spiega brevemente come agiscono sul DNA.

Distingui i termini mutazione e agente mutageno, e fai un esempio di ciascuno.

Le mutazioni possono essere dannose, neutre o vantaggiose. Spiega che cosa significa ciascun caso e fai un esempio di mutazione vantaggiosa dal punto di vista dell'organismo che la subisce.

Le mutazioni geniche possono essere sostituzioni (cambiare una base con un'altra), inserzioni (aggiungere una base) o delezioni (perdere una base). Illustra i tre tipi modificando la parola PALO e spiega ciascuno.

Oltre alle mutazioni che cambiano una base, esistono mutazioni cromosomiche che interessano tratti di cromosoma o cromosomi interi. Spiega la differenza usando l'analogia di un libro: cambiare una lettera rispetto a perdere o duplicare una pagina.

La sindrome di Down è dovuta alla presenza di tre copie del cromosoma 21 invece di due (trisomia 21). Spiega perché non è una mutazione di un gene specifico, ma una variazione del numero di cromosomi, e in quale momento della formazione dei gameti può originarsi.

La maggior parte delle mutazioni non ha conseguenze. Spiega due motivi per cui molte mutazioni passano inosservate (sistemi di riparazione del DNA e caratteristiche del codice genetico).

Spiega che relazione esiste tra l'accumulo di mutazioni nei geni che controllano il ciclo cellulare e la comparsa del cancro.

Si dice che le mutazioni sono «la materia prima dell'evoluzione». Spiega perché senza mutazioni non esisterebbe nuova variabilità genetica su cui agire.

Spiega perché inserire o perdere una base di solito è più grave per la proteina che cambiare una base con un'altra, usando la frase di parole di tre lettere «EVA VIO UNA OCA» come modello del quadro di lettura dei codoni.

In una popolazione di batteri, le mutazioni si fanno notare molto più rapidamente che in una popolazione di elefanti. Mettilo in relazione con la loro riproduzione asessuata molto rapida (un batterio può dividersi ogni $20$ minuti) e con l'enorme numero di individui.

Il tabacco, la radiazione ultravioletta e alcuni virus aumentano il rischio di sviluppare un cancro, ma non tutte le persone esposte si ammalano. Spiega perché il cancro è considerato una malattia multifattoriale in cui intervengono le mutazioni accumulate, il caso e la predisposizione genetica di ciascuna persona.

Un bambino presenta una mutazione dominante che nessuno dei suoi genitori ha. Spiega come è possibile che compaia «ex novo» (mutazione de novo) se la mutazione è avvenuta nell'ovulo o nello spermatozoo che hanno dato origine a quel bambino, e se potrà trasmetterla ai suoi figli.

Il virus dell'influenza cambia un po' ogni anno. Mettilo in relazione con la sua alta frequenza di mutazione quando copia il proprio materiale genetico e spiega perché il vaccino antinfluenzale va aggiornato ogni stagione mentre altri vaccini durano anni.

Un paziente a cui è stato asportato con successo un melanoma sulla schiena pone due dubbi durante la visita medica:

1. «Mi preoccupa aver trasmesso questa mutazione a mio figlio appena nato».

2. «Siccome mi hanno tolto il tumore e la mia pelle è abbronzata e resistente, ora sono immune e non ho più bisogno di mettere la crema solare protettiva».

Confuta in modo argomentato entrambe le affermazioni:

1. a) Giustifica perché suo figlio non erediterà questo melanoma, distinguendo tra mutazioni nelle cellule somatiche e nelle cellule germinali.
2. b) Spiega perché è biologicamente falso che la pelle si «immunizzi» contro il cancro, descrivendo la relazione tra radiazione ultravioletta accumulata, mutazioni nei protooncogeni o nei geni oncosoppressori e perdita di controllo del ciclo cellulare.

Osserva lo schema che illustra il cambiamento genetico e cellulare nell'anemia falciforme. Immagina che in uno screening genetico vengano identificate due persone con mutazioni nello stesso codone (GAA):

• Persona A: subisce una mutazione puntiforme silente in cui GAA diventa GAG (che codifica anch'esso acido glutammico).

• Persona B: subisce la delezione della prima base (si perde la G), alterando il modello di lettura.

1. a) Prevedi in modo argomentato il fenotipo della persona A a livello cellulare, spiegando quale caratteristica del codice genetico impedisce che sviluppi l'anemia falciforme.
2. b) Confronta l'impatto cellulare e funzionale atteso nella persona B rispetto al caso di anemia falciforme mostrato nello schema. Giustifica perché la delezione di un solo nucleotide è di solito biologicamente più distruttiva per la proteina della sostituzione puntiforme rappresentata.

Un paziente con tonsillite batterica sospende la terapia antibiotica al terzo giorno dei sette prescritti perché non ha più febbre né disturbi. La sua giustificazione è: «Se continuo a prendere l'antibiotico, i batteri impareranno a combatterlo e muteranno per diventare resistenti; meglio smettere subito per non costringerli a mutare».

1. a) Individua l'errore concettuale del suo ragionamento e confuta la sua affermazione, distinguendo chiaramente tra l'origine casuale e preesistente delle mutazioni e il ruolo selettivo dell'antibiotico.
2. b) Prevedi che cosa accadrà nella popolazione batterica residua della sua gola se sospende la terapia a metà, e spiega perché questo uso scorretto contribuisce alla diffusione di ceppi multiresistenti.

In un laboratorio si analizzano due varianti mutanti di un gene che codifica un enzima essenziale di 320 amminoacidi. Nell'mRNA, la sequenza normale che codifica gli amminoacidi 10, 11 e 12 è 5'-AUG GCU UUA-3' (metionina-alanina-leucina):

• Variante 1: subisce la delezione di un solo nucleotide (la C del codone GCU).

• Variante 2: subisce la delezione dell'intera tripletta GCU (si perdono tre nucleotidi insieme).

1. a) Sapendo che nella Variante 1 il nuovo codone che si forma unendo i nucleotidi contigui è GUU (valina), spiega che cosa significa che il modello di lettura è stato alterato (frameshift) e come ciò influirà sulla sequenza di amminoacidi da quel punto fino alla fine della proteina.
2. b) Giustifica quale delle due varianti ha maggiore probabilità di conservare parte dell'attività funzionale dell'enzima e quale darà quasi con certezza una proteina non funzionale o troncata prematuramente.

Analizza la seguente apparente contraddizione medica ed evolutiva:

1. Durante la Rivoluzione industriale, i figli di famiglie immigrate dalla pelle scura che vivevano in città nebbiose del nord Europa soffrirono di alti tassi di rachitismo (deformità ossee dovute a grave carenza di sintesi di vitamina D).

2. Oggi, le popolazioni di origine britannica (pelle molto chiara) che vivono in Australia presentano una delle più alte incidenze di melanoma e di degradazione del folato nel sangue per eccesso di radiazione ultravioletta.

1. a) Sulla base di questi dati, confuta l'idea diffusa che «una mutazione sia di per sé intrinsecamente vantaggiosa o dannosa per una specie».
2. b) Formula un'ipotesi evolutiva che spieghi perché le mutazioni che hanno ridotto la sintesi di melanina furono selezionate favorevolmente quando i gruppi umani colonizzarono le alte latitudini, analizzando il compromesso biologico tra la protezione dalla radiazione UV e la produzione di vitamina D.

In alcune zone rurali dell'Africa subsahariana, il 25 % della popolazione adulta è eterozigote per l'allele dell'anemia falciforme (genotipo AS: un allele normale A e un allele falciforme S), mentre gli individui omozigoti falciformi (SS) soffrono di una malattia grave con alta mortalità senza assistenza ospedaliera.

1. a) Se l'allele S è letale o molto dannoso in omozigosi, perché la selezione naturale non lo ha eliminato dalla popolazione? Giustifica la risposta confrontando l'efficienza riproduttiva (fitness) dei tre genotipi possibili (AA, AS e SS) in una zona con alta incidenza di malaria.
2. b) Se in una regione isolata si riesce a eradicare completamente la zanzara che trasmette la malaria con misure di controllo biologico mantenute nel tempo, prevedi in modo argomentato che cosa accadrà alla frequenza dell'allele S nelle generazioni successive.

Per verificare se un nuovo additivo alimentare è sicuro, un laboratorio esegue il test di Ames utilizzando batteri Salmonella incapaci di sintetizzare l'istidina (ceppo his⁻), che non possono dividersi in un terreno privo di questo amminoacido a meno che non subiscano una mutazione che inverta il difetto genetico.

Si inocula lo stesso numero di batteri in tre piastre di coltura con terreno privo di istidina e dopo 48 ore si ottengono i seguenti risultati:

• Piastra 1 (controllo: batteri his⁻ + acqua distillata): compaiono 3 colonie.

• Piastra 2 (batteri his⁻ + additivo a bassa concentrazione, 0,1 %): compaiono 4 colonie.

• Piastra 3 (batteri his⁻ + additivo ad alta concentrazione, 5 %): compaiono 395 colonie.

1. a) Interpreta i dati: perché compaiono alcune colonie nella Piastra 1 se non ci sono né istidina né additivo? Che cosa indica il risultato della Piastra 3 sull'effetto dell'additivo sul DNA batterico?
2. b) Giustifica perché un risultato positivo nei batteri porta le agenzie sanitarie a escludere o limitare l'uso di questa sostanza negli alimenti per il consumo umano, spiegando la relazione biologica tra potere mutageno e rischio cancerogeno.

A una paziente con diagnosi di tumore solido viene prescritto un trattamento di radioterapia frazionata (dosi calcolate di radiazione ionizzante somministrate quotidianamente per 5 settimane, con pause nei fine settimana), invece di una singola seduta di radiazione massiccia.

1. a) Risolvi l'apparente paradosso medico: come può essere usata la radiazione (un agente mutageno che può indurre il cancro) per trattare ed eradicare un tumore? Basa la tua spiegazione sul tasso di proliferazione cellulare, sull'accumulo di lesioni letali nel DNA e sull'induzione dell'apoptosi.
2. b) Giustifica biologicamente perché la radioterapia viene somministrata in dosi frazionate con pause periodiche, confrontando la capacità dei punti di controllo e dei sistemi di riparazione del DNA nelle cellule sane circostanti rispetto alle cellule tumorali.

Sfida del tema. Immagina di lavorare per un'agenzia di sicurezza alimentare e di dover effettuare una valutazione preliminare di un campione vegetale domestico. Risolverai questo caso con un breve rapporto biomedico-forense organizzato in quattro fasi:

1. Estrazione e misurazione: Estrai il DNA da $100\text{ g}$ di pomodoro o banana usando sale, detersivo per piatti e alcol freddissimo al $96\,\%$. Misura con un righello millimetrato l'altezza dell'interfase mucosa precipitata (annotando il tuo valore, es. $0,6\text{ cm}$) e spiega la funzione fisico-chimica di ciascun reagente.

2. Espressione genica: A partire dalla sequenza stampo $3'\text{-TAC\,TTC\,AAA\,ACT-}5'$, scrivi la molecola di mRNA complementare e deduci la sequenza peptidica corrispondente usando il codice genetico, descrivendo due differenze strutturali tra DNA e RNA.

3. Mutazione nelle banche dati: Modifica la sequenza stampo precedente sostituendo la sua quarta base, contando dall'estremità $3'$, con un'adenina. Consulta il portale scientifico ufficiale NCBI (Gene database) per cercare un esempio di mutazione puntiforme e classifica la mutazione simulata in base al suo effetto sulla proteina risultante.

4. Parere biomedico-forense: Redigi una proposta argomentata che distingua ciò che indica la resa dell'estratto (quantità approssimativa di materiale recuperato, che dipende soprattutto dal tessuto e dalla procedura) dalle conseguenze fenotipiche che le mutazioni provocano nelle colture, e indica quali analisi (confronto di sequenze o marcatori con un campione di riferimento) servirebbero per verificare l'autenticità e la stabilità genetica.

Verrà valutato:

• Rigore nella procedura sperimentale casalinga e ottenimento preciso del dato metrico.

• Accuratezza nel modellizzare la trascrizione, la traduzione e la tipologia della mutazione.

• Argomentazione scientifica coerente che integri struttura molecolare, espressione e fenotipo.