Definizione di mutazione
Al livello più semplice, una mutazione è un cambiamento o trasformazione. In biologia, le mutazioni si riferiscono a cambiamenti nei cromosomi e nei geni, che tipicamente si manifestano fisicamente.
L’effetto di una mutazione può dipendere dalla regione in cui la sequenza del materiale genetico è stata cambiata. Le più semplici e innocue sono sostituzioni di una singola coppia di basi con un’altra, senza effetti sulla sequenza proteica. All’altro estremo ci sono mutazioni di inserzione o delezione che portano a prodotti genici non funzionali. Le mutazioni possono anche verificarsi su larga scala, con lunghi tratti di DNA (o RNA quando è il materiale genetico) che vengono invertiti, inseriti, duplicati, cancellati, trasposti o traslocati.
Il risultato di una mutazione potrebbe essere dannoso, benefico, neutro o anche silenzioso. La mutazione può portare alla perdita o al guadagno di una funzione specifica, a cambiamenti nei livelli di espressione o, in casi estremi, anche alla letalità embrionale.
Tipi di mutazione
Le mutazioni possono essere classificate in vari modi a seconda della causa della mutazione, del suo effetto sulla funzione del prodotto genico o del tipo di cambiamenti alla struttura del gene stesso. Alcune mutazioni si verificano come un sottoprodotto naturale del tasso di errore nei meccanismi di replicazione del DNA o dell’RNA.
Una mutazione potrebbe essere una mutazione di perdita di funzione o di guadagno di funzione, a seconda che il prodotto del gene sia inattivato o abbia una maggiore attività. Negli eterozigoti con due copie di ogni allele, alcuni prodotti genici mutati possono sopprimere l’effetto dell’allele wild-type. Queste sono chiamate mutazioni dominanti negative.
Tutti questi effetti derivano da un cambiamento della struttura di un gene o del materiale cromosomico associato. Questi cambiamenti strutturali possono essere classificati come sostituzioni, delezioni, inserzioni, amplificazioni o traslocazioni.
Mutazioni di sostituzione
Le mutazioni di sostituzione sono situazioni in cui un singolo nucleotide viene cambiato in un altro. Negli organismi con DNA o RNA a doppio filamento, questo di solito significa che anche la coppia di basi corrispondente è alterata. Per esempio, una coppia di basi A:T potrebbe essere mutata in una coppia di basi G:C o anche in una coppia di basi T:A. A seconda della posizione di questo cambiamento, potrebbe avere una varietà di effetti.
Nelle regioni altamente conservate, sia nei tratti codificanti che in quelli regolatori del DNA, le mutazioni spesso portano a effetti deleteri. Altri tratti più variabili sono più accomodanti. Nella regione del promotore o in altre parti regolatrici del genoma, una mutazione di sostituzione può cambiare l’espressione genica o la risposta del gene allo stimolo. All’interno della regione codificante, una sostituzione nella terza posizione o nella posizione di oscillazione di un codone è chiamata una mutazione silenziosa poiché non c’è nessun cambiamento nella sequenza degli aminoacidi. Quando una mutazione di sostituzione risulta in un nuovo amminoacido ma con proprietà simili – è una mutazione neutra o conservata. Per esempio, se l’acido aspartico viene sostituito con l’acido glutammico, c’è una ragionevole possibilità che ci siano pochissimi cambiamenti nella biochimica della proteina.
Infine, la mutazione di sostituzione più drastica è quella che porta alla terminazione prematura dell’allungamento degli aminoacidi a causa dell’improvvisa comparsa di un codone di stop nel mezzo della sequenza codificante. Per esempio, se il codone UAC che codifica per la treonina è mutato in un codone UAA, specialmente nell’estremità 5′ della sequenza codificante, porterà probabilmente ad una proteina estremamente corta, forse non funzionale.
Inserzioni e delezioni
Inserzioni e delezioni si riferiscono all’aggiunta o alla rimozione di brevi tratti di sequenze nucleotidiche. Questi tipi di mutazioni sono di solito più deleteri delle sostituzioni poiché possono causare mutazioni frame shift, alterando l’intera sequenza aminoacidica a valle del sito di mutazione. Possono portare a un cambiamento nella lunghezza del polipeptide, creando proteine anormalmente lunghe che causano aggregati o polipeptidi troncati che non sono funzionali e possono intasare il macchinario di traduzione della cellula.
Inserzioni e delezioni nelle regioni di regolazione di una sequenza codificante del polipeptide o nei geni che codificano l’RNA non codificante sono meno ovviamente dannose. Anche in questo caso, la posizione della mutazione conta – in regioni altamente conservate, è più probabile che la mutazione produca effetti negativi.
Mutazioni su larga scala
I cambiamenti alla sequenza nucleotidica nel materiale genetico possono avvenire anche su larga scala, a volte coinvolgendo migliaia di coppie di basi e nucleotidi. Questi tipi di mutazioni includono amplificazioni, dove segmenti di materiale genetico sono presenti in più copie, e delezioni, dove un grosso pezzo di materiale genetico viene rimosso. Occasionalmente, alcune parti del genoma vengono traslocate in un altro cromosoma, o reinserite nella stessa posizione, ma con un orientamento invertito. Traslocazioni e delezioni possono riunire geni che normalmente sono collocati molto distanti l’uno dall’altro, portando alla formazione di polipeptidi a mosaico, o alla regolazione differenziale dei geni all’interno del segmento.
Esempi di mutazione
Malattia falciforme e malaria
La malattia falciforme (SCD), così chiamata per il suo caratteristico effetto falciante sui globuli rossi, di solito si manifesta con coaguli di sangue, anemia e attacchi di dolore conosciuti come “crisi falciformi”. Mentre molti di questi sintomi possono essere trattati con i farmaci, ancora abbassano significativamente la qualità della vita dei loro portatori.
Anche se considerato raro e una mutazione, SCD è relativamente ben studiato. Ha luogo sull’11° cromosoma ed è catalizzata dall’eredità di un gene anomalo dell’emoglobina da entrambi i genitori. Per quanto riguarda la prevalenza globale, la SCD è la più diffusa tra le popolazioni dell’Africa occidentale, con un tasso di incidenza di circa il 4,0%
La ricerca suggerisce che la prevalenza della SCD in Africa occidentale non è un fenomeno casuale. Nonostante i suoi effetti sulla salute, la SCD ha anche dimostrato di ridurre il rischio di contrarre la malaria dalle zanzare. Poiché il clima dell’Africa occidentale permette alla malaria di prosperare, la SCD serve come mezzo per proteggere la popolazione.
In tutto, la SCD serve come un esempio di mutazione genetica che beneficia le popolazioni su cui ha effetto. Questo, in parte, è il motivo per cui alcune mutazioni genetiche resistono per decenni e persino secoli.
Calici di Klinefelter
La sindrome di Klinefelter, nota anche come sindrome XXY, è una mutazione genetica in cui un soggetto maschile porta un cromosoma X in più, portando quindi il genotipo femminile XX oltre al tradizionale genotipo maschile XY. Allo stesso modo, i maschi con la sindrome di Klinefelter hanno spesso caratteristiche femminili, come il tessuto mammario, e possono non essere in grado di riprodursi.
Siccome si trova nel codice genetico, che è omologo tra la maggior parte delle specie, la sindrome di Klinefelter non è esclusiva degli uomini. Pertanto, gatti, cani e persino balene possono ereditare il genotipo XXY.
Nei gatti, il cromosoma X porta più che informazioni relative al sesso. Il colore della pelliccia, per esempio, è trasportato sul cromosoma X.
Inoltre, il colore della pelliccia è codominante. Poiché i gatti maschi ereditano in genere un solo cromosoma X e le femmine due cromosomi X, le femmine hanno maggiori probabilità di avere modelli di pelliccia multicolore rispetto ai maschi.
Questo è particolarmente vero per il calico, un gatto noto per la sua sorprendente pelliccia arancione e nera. Il gene per la pelliccia nera non può essere portato sullo stesso cromosoma X del gene per la pelliccia arancione, il che rende i gatti calico quasi esclusivamente femmine.
Tuttavia, questo non rende impossibile l’esistenza di un calico maschio. I gatti maschi con due cromosomi X, o genotipo XXY, possono benissimo portare il gene per il pelo arancione su un cromosoma X e il gene per il pelo nero sull’altro. In questo modo, sono davvero i “Calicos di Klienfelter”.
Tolleranza al lattosio
Abbiamo detto prima come la SCD, una mutazione caratterizzata da sintomi fisici a volte pericolosi per la vita, funziona anche per prevenire la malaria in Africa occidentale. La tolleranza al lattosio è un’altra mutazione che beneficia coloro che la possiedono.
I corpi umani erano originariamente incapaci di produrre lattasi, un enzima che digerisce le proteine del latte di mucca, dopo i primi mesi di vita. Questo perché gli esseri umani spesso non consumavano latte – o altri prodotti lattiero-caseari – in età adulta.
L’aumento della pastorizzazione, così come l’agricoltura commerciale, ha quasi eliminato questa vecchia abitudine. Come possiamo vedere oggi, gli esseri umani di tutte le età mangiano formaggio e bevono latte. Naturalmente, questo avviene dopo un significativo cambiamento corporeo. Una mutazione che prolunga la produzione di lattasi nell’uomo, attualmente più diffusa nelle nazioni occidentali, permette all’uomo di mangiare latticini senza dolori di stomaco o nausea.
Come la SCD, questa mutazione rimane perché aiuta l’uomo a consumare nutrienti vitali, come calcio e potassio, attraverso una gamma più varia di fonti.
- Cromosoma – Una parte del DNA che trasporta informazioni genetiche.
- Omologo – Ha la stessa funzione o struttura all’interno di un corpo, o tra due specie.
Quiz
1. Mutazioni come la SCD, che a volte hanno effetti collaterali mortali, non si estinguono per selezione naturale perché:
A. Il governo vuole che rimangano.
B. Le mutazioni funzionano al di fuori della selezione naturale. A differenza dei tratti, non possono essere eliminate.
C. Forniscono resistenza o immunità ad altre malattie più gravi.
D. Le mutazioni sono un superbug che i farmaci non possono combattere.
2. Le mutazioni sono a volte portate sui cromosomi sessuali, X e Y. Perché un maschio potrebbe ereditare una mutazione portata da sua madre, anche se sua madre non ha la mutazione stessa? L’uomo ha ereditato la mutazione recessiva sul suo cromosoma X, mentre sua madre ha ereditato la mutazione recessiva su un cromosoma X e una forma dominante del gene sull’altro cromosoma X. Il maschio ha ereditato la mutazione dominante sul suo cromosoma X, perché sua madre portava la mutazione dominante su entrambi i suoi cromosomi X.
C. Il maschio ha ereditato la mutazione dominante sul suo cromosoma Y, perché sua madre portava la mutazione dominante sul suo cromosoma Y.
D. Il maschio ha ereditato la mutazione dominante sul suo cromosoma Y, perché sua madre portava la mutazione recessiva sul suo cromosoma Y.
3. I gatti calico maschi sono rari perché:
A. Il gene per il colore del pelo è portato sul cromosoma X, ed è ereditato esclusivamente dalla madre. La madre dovrebbe portare sia il gene per il pelo arancione che quello per il pelo nero perché la sua prole maschile sia un calico.
B. Il gene per il colore del pelo è portato sul cromosoma X, e i gatti maschi hanno solo un cromosoma X. Un gatto maschio dovrebbe avere due cromosomi X, o la mutazione della sindrome di Klinefelter, per ereditare sia la pelliccia arancione che quella nera.
C. Il gene per il colore del pelo è portato sul cromosoma X, e i gatti maschi non sempre ereditano il cromosoma X. Questo è il motivo per cui ci sono così tanti gatti maschi albini.
D. Il gene per il colore della pelliccia è portato sul cromosoma Y, e i gatti maschi di solito non ereditano due cromosomi Y. Un gatto maschio deve quindi avere un genotipo XYY per essere un calico.