mutazioni geniche e cromosomiche

Che cos’è una mutazione genica e cosa significa “mutazione puntiforme”?

Una mutazione genica è una variazione permanente nella sequenza nucleotidica del DNA che coinvolge un singolo gene o una sua porzione.
Può derivare da errori di replicazione, agenti mutageni fisici o chimici (come radiazioni ionizzanti, raggi UV, basi alchilanti), oppure da meccanismi endogeni (deaminazione spontanea, ossidazione).
Quando la variazione coinvolge una singola base o un numero molto limitato di basi, si parla di mutazione puntiforme.
Il cambiamento può trovarsi sia in regioni codificanti (che determinano la sequenza di amminoacidi della proteina) sia in regioni non codificanti (che regolano la trascrizione, lo splicing o la stabilità dell’mRNA).
Le mutazioni geniche rappresentano la base molecolare della variabilità genetica, ma anche di moltissime patologie ereditarie.
Alcuni esempi tipici includono:

• Anemia falciforme (gene HBB, mutazione missense),

• Fibrosi cistica (gene CFTR, delezione ΔF508),

• Distrofia muscolare di Duchenne (gene DMD, frameshift o nonsense).

Quali sono i principali tipi di mutazione genica puntiforme?

Le mutazioni geniche puntiformi si classificano in tre tipi fondamentali, a seconda del tipo di alterazione molecolare:

1. Sostituzioni di basi — una base azotata viene sostituita con un’altra.
   Possono essere:

   • Transizioni, se avviene tra basi della stessa classe (purina ↔ purina: A↔G; o pirimidina ↔ pirimidina: C↔T).

   • Transversioni, se avviene tra basi di classi diverse (purina ↔ pirimidina: A↔C, A↔T, G↔C o G↔T).
     Le transizioni sono più frequenti perché chimicamente più “tollerate” dal DNA polimerasi.

2. Inserzioni — aggiunta di uno o più nucleotidi nella sequenza di DNA.

3. Delezioni — perdita di uno o più nucleotidi.

Quando inserzioni o delezioni non avvengono in multipli di 3, alterano la cornice di lettura (frameshift) dell’mRNA, con effetti molto gravi sulla proteina prodotta.

In cosa consistono le mutazioni per sostituzione di base e quali sono le loro conseguenze?

Le sostituzioni di base possono modificare il significato dei codoni nell’mRNA, e quindi influenzare direttamente la sequenza proteica.
In base all’effetto sul prodotto genico, si distinguono tre tipi principali:

• Mutazioni silenti (o sinonime):
  Il nuovo codone codifica per lo stesso amminoacido grazie alla ridondanza del codice genetico (es. GAA → GAG entrambi = acido glutammico).
  Apparentemente innocue, possono però alterare la velocità di traduzione o lo splicing se situate vicino a siti regolatori.

• Mutazioni missense (o di senso):
  Il codone modificato codifica per un amminoacido diverso.
  L’effetto dipende dalle proprietà chimico-fisiche del nuovo amminoacido e dalla posizione nella proteina:

  • Se la sostituzione avviene in una zona non critica, la proteina può mantenere la funzione.

  • Se riguarda un amminoacido essenziale per la struttura o l’attività (es. nel sito attivo di un enzima), la proteina può perdere completamente la funzionalità.

  • In altri casi può causare misfolding (ripiegamento scorretto) e successiva degradazione nel reticolo endoplasmatico.
    🔬 Esempio clinico: anemia falciforme (mutazione nel gene HBB → sostituzione Glu→Val → formazione di HbS → eritrociti a forma di falce).

• Mutazioni nonsense (o di senso nullo):
  La sostituzione trasforma un codone codificante in un codone di stop prematuro (UAA, UAG o UGA).
  Il ribosoma si ferma e la sintesi proteica si interrompe, producendo una proteina tronca e non funzionale.
  Questi mRNA vengono spesso eliminati dal meccanismo di Nonsense-Mediated Decay (NMD), che previene la produzione di frammenti proteici tossici.
  🔬 Esempio clinico: molte forme di β-talassemia e di distrofia di Duchenne sono causate da mutazioni nonsense che interrompono la sintesi della proteina prima del termine.

Cosa accade nelle mutazioni per inserzione e delezione e perché si parla di “frameshift”?

Le mutazioni per inserzione o delezione aggiungono o eliminano nucleotidi dal DNA.
Quando la quantità di basi coinvolte non è multipla di tre, si verifica una mutazione frameshift (scivolamento della cornice di lettura).
Poiché il codice genetico è letto a triplette consecutive (codoni), un cambiamento nella posizione dei gruppi di tre basi altera l’intera sequenza amminoacidica a valle.
Conseguenze:

• formazione di una catena di amminoacidi completamente diversa,

• comparsa di codoni di stop prematuri,

• sintesi di una proteina non funzionale o troncata,

• possibile attivazione di nonsense-mediated decay (NMD).

🔬 Esempio clinico:
Nella fibrosi cistica, la delezione ΔF508 nel gene CFTR elimina 3 nucleotidi (multiplo di 3, quindi senza frameshift) ma rimuove un singolo amminoacido (fenilalanina in posizione 508), alterando il corretto ripiegamento della proteina e impedendone il trasporto alla membrana.
Altre mutazioni CFTR con inserzioni o delezioni non multiple di 3 producono invece frameshift e perdita completa di funzione.

In casi più rari, inserzioni e delezioni compensatorie nello stesso gene possono ripristinare la fase di lettura, limitando il danno solo al tratto intermedio.

Le mutazioni nelle regioni non codificanti possono avere effetti funzionali?

Sì. Anche se non cambiano direttamente la sequenza della proteina, le mutazioni nelle regioni regolatrici del gene possono modificare la quantità di prodotto genico o la corretta maturazione dell’mRNA.
Esempi:

• Promotore → mutazioni che alterano il riconoscimento da parte dell’RNA polimerasi II possono ridurre o aumentare la trascrizione.

• Enhancer, silencer e LCR (Locus Control Region) → modificano il legame di fattori di trascrizione e alterano l’espressione genica in modo tessuto-specifico.

• Regione 5'UTR → mutazioni che impediscono l’aggancio dei ribosomi possono bloccare la traduzione.

• Regione 3'UTR → mutazioni che alterano i siti di legame per microRNA o proteine regolatrici possono aumentare la stabilità dell’mRNA o impedirne la degradazione, modificando la quantità di proteina prodotta.

Come influenzano le mutazioni i processi di splicing dell’mRNA?

Lo splicing è il processo attraverso cui gli introni vengono rimossi e gli esoni uniti per formare l’mRNA maturo.
Le sequenze chiave riconosciute dallo spliceosoma sono:

• Sito donatore (5’ GU),

• Sito accettore (3’ AG),

• Punto di ramificazione (branch point, con adenina centrale),

• Sequenze consenso introniche che orientano il taglio.

Mutazioni in uno di questi elementi possono portare a:

• Exon skipping (omissione di esoni) → perdita di interi tratti codificanti, proteina più corta o instabile.

• Intron retention (ritenzione di introni) → inclusione di sequenze introniche, con possibile frameshift o stop prematuro.

• Attivazione di siti criptici di splicing → sequenze che normalmente non vengono riconosciute diventano attive, alterando il corretto assemblaggio dell’mRNA.

🔬 Esempio clinico: mutazioni nei siti di splicing del gene HBB (emoglobina β) possono impedire la maturazione corretta dell’mRNA → produzione ridotta o assente di catene β → β-talassemia.

Esistono meccanismi di difesa della cellula contro le mutazioni geniche?

Sì. Le cellule dispongono di complessi sistemi di controllo e riparazione:

• Mismatch repair (MMR): corregge errori di appaiamento delle basi dopo la replicazione.

• Base excision repair (BER): rimuove basi danneggiate o modificate chimicamente.

• Nucleotide excision repair (NER): elimina distorsioni più grandi, come i dimeri di timina causati dai raggi UV.

• Nonsense-mediated mRNA decay (NMD): degrada gli mRNA con codoni di stop prematuri.

• Chaperoni molecolari e proteasoma: eliminano proteine mal ripiegate.
  Se il danno è troppo grave, la cellula attiva l’apoptosi (morte cellulare programmata) per prevenire la trasmissione di proteine o cellule difettose.

Cos’è la ricombinazione genetica e perché è cruciale?

• La ricombinazione genetica è lo scambio di sequenze di DNA tra cromosomi omologhi o cromatidi fratelli, processo fondamentale durante la meiosi ma presente anche in mitosi.

• Funzioni principali:

  1. Generare diversità genetica → base dell’evoluzione delle specie, aumentando la variabilità dei gameti.

  2. Riparare DNA danneggiato da radiazioni o agenti chimici: sequenze danneggiate possono essere sostituite con quelle integre del cromosoma omologo.

• Proteine coinvolte:

  • Rad51 e Dmc1 (eucarioti) → promuovono il filamento nucleoproteico necessario per l’appaiamento omologo.

  • RecA (batteri) → analogico funzionale.

• Rischi: la ricombinazione può diventare fonte di mutazioni se gli allineamenti sono imperfetti o se coinvolge sequenze ripetute.

Tipi di crossing-over

• Crossing-over tra cromosomi omologhi → normale meiosi, genera ricombinanti e diversità genetica.

• Crossing-over tra cromatidi fratelli → meno comune, ma aumenta il rischio di mutazioni quando ci sono sequenze ripetute in tandem o cluster di geni omologhi.

• Crossing-over ineguale → si verifica quando sequenze simili non si allineano correttamente, generando duplicazioni o delezioni.

Sequenze ripetute, famiglie geniche e predisposizione alle mutazioni

• Molti geni appartengono a famiglie geniche: più copie simili nello stesso cromosoma, producono prodotti correlati.

• Sequenze ripetute in tandem e cluster genici creano punti di appaiamento errato, aumentando la probabilità di:

  • Duplicazioni → aumento del dosaggio genico.

  • Delezioni → perdita di geni funzionali.

  • Fusioni geniche → geni derivati da due geni distinti.

• Questi eventi sono spesso alla base di malattie umane, in particolare quando il gene coinvolto è sensibile al dosaggio o essenziale per una funzione cellulare.

Crossing-over ineguale: esempi dettagliati

a) Alfa-talassemia

• Gene coinvolto: alfa-globina (HBA1 e HBA2) sul cromosoma 16.

• Cluster genico: regioni x, y, z altamente conservate, separate da sequenze divergenti.

• Meccanismo: un crossing-over ineguale tra regioni omologhe di alfa1 e alfa2 genera due cromosomi:

  • Uno con tre geni alfa → duplicazione.

  • Uno con un solo gene alfa → delezione.

• Fenotipo: alfa-talassemia, con severità variabile a seconda del numero di geni alfa mancanti.

• Nota: eventi simili possono coinvolgere sequenze ripetute multiple, spiegando la variabilità fenotipica tra individui.

b) CMT1A e HNPP

• Gene: PMP22, localizzato sul braccio corto del cromosoma 17 (17p11.2).

• Sequenze ripetute: proximal e distal ~30 kb, ricche in AT, 98% identiche.

• Meccanismo: crossing-over ineguale tra queste due regioni produce:

  • Duplicazione di PMP22 → CMT1A (Charcot-Marie-Tooth tipo 1A) → neuropatia periferica autosomica dominante.

  • Delezione di PMP22 → HNPP → neuropatia periferica autosomica dominante con suscettibilità a compressione nervosa.

• Conseguenza funzionale: la proteina PMP22 è dosaggio-sensibile; variazioni di copia alterano la funzione della mielina periferica

Crossing-over intra-cromatidico e inversioni

• Sequenze ripetute invertite sullo stesso cromatidio possono appaiarsi → ripiegamento → crossing-over intra-cromatidico → inversione della sequenza compresa tra le ripetizioni.

• Esempio clinico: emofilia A severa

  • Gene: F8 (fattore VIII).

  • Circa 45% dei pazienti presenta un’inversione intragenica causata da appaiamento errato tra sequenze ripetute invertite situate a monte e all’interno di uno degli introni.

  • Conseguenza: interruzione del gene F8 → deficit di fattore VIII → emofilia A severa.

Ricombinazione tra geni o pseudogeni → fusione genica

• Alcuni cluster contengono pseudogeni o geni simili (es. cluster beta-globinico).

• Appaiamenti errati durante la meiosi possono generare:

  • Fusione tra geni → proteina anomala.

  • Perdita di geni nei cromosomi complementari.

• Esempio: Emoglobina Lepore

  • Appaiamento tra gene delta e gene beta → crossing-over → gene fusione delta-beta Lepore su un cromosoma, anti-Lepore sull’altro.

  • Fenotipo: deficit relativo di catene beta e delta → anemia, variabile secondo il numero di copie presenti.

Conseguenze molecolari e fenotipiche della ricombinazione anomala

• Duplicazioni → sovraespressione di proteine (es. PMP22 → CMT1A).

• Delezioni → perdita di geni essenziali (es. alfa-globina → alfa-talassemia, PMP22 → HNPP).

• Inversioni → interruzione di geni critici (es. F8 → emofilia A).

• Fusioni geniche → proteine anomale (es. Lepore).

• Fenotipi clinici dipendono dal gene coinvolto, dalla sensibilità al dosaggio e dalla funzione della proteina

Trasposizione e elementi mobili

• Elementi trasponibili (trasposoni) possono muoversi da una posizione all’altra nel genoma.

• Conseguenze:

  • Inserzioni → interrompono geni o sequenze regolatrici → mutazioni.

  • Delezioni → se l’elemento viene rimosso con parte del DNA circostante.

  • Duplicazioni o inversioni → quando trasposoni interagiscono con sequenze ripetute.

• Contributo: aumentano la variabilità genetica, ma possono anche provocare malattie genetiche se colpiscono regioni critiche.

Importanza evolutiva e clinica

• La ricombinazione e la trasposizione sono processi fondamentali per:

  • Evoluzione delle specie → diversità genetica.

  • Riparazione del DNA → mantenimento dell’integrità genomica.

• Tuttavia, quando avvengono in modo anormale:

  • Sono fonti di mutazioni geniche e cromosomiche.

  • Sono alla base di numerose malattie ereditarie e varianti patologiche (neuropatie, anemie, emofilie).

Cosa sono le mutazioni per inserzione o delezione di nucleotidi?

• Variazioni genetiche in cui uno o più nucleotidi vengono inseriti (inserzione) o rimossi (delezione) nella sequenza del DNA.

• Se il numero di nucleotidi non è multiplo di 3, la mutazione altera la cornice di lettura → chiamata mutazione frameshift.

• Effetto: tutti i codoni a valle della mutazione vengono letti in “fuori fase”, cambiando completamente la sequenza di amminoacidi della proteina e spesso rendendola non funzionale.

• Se il numero di nucleotidi è multiplo di 3, si avranno aggiunte o perdite di amminoacidi senza alterare la cornice di lettura complessiva.

Meccanismo delle mutazioni frameshift

• Durante la traduzione sui ribosomi, l’mRNA viene letto a triplette codoniche.

• Inserzione o delezione non multipla di 3 nucleotidi causa uno scivolamento della cornice di lettura, con effetti:

  1. Catena polipeptidica alterata → sequenza amminoacidica completamente diversa a partire dal punto della mutazione.

  2. Proteina tronca → formazione di codone stop prematuro → proteina incompleta e spesso non funzionale.

  3. Ritorno in fase → se due mutazioni (inserzione e delezione vicine) si compensano, la cornice di lettura può ripristinarsi, limitando il danno.

• Dipendenza dalla posizione: più la mutazione avviene all’inizio della sequenza codificante, maggiore è il danno funzionale.

Confronto con sostituzione di basi

Tipo di mutazione	Meccanismo	Effetto sulla proteina
Sostituzione	Cambia un nucleotide	Silente, missense (amminoacido diverso) o nonsense (stop prematuro)
Inserzione/delezione (frameshift)	Inserimento/rimozione di nucleotidi non multipli di 3	Alterazione totale della sequenza a valle → proteina tronca o non funzionale

• Nota: mentre le sostituzioni possono avere effetti variabili a seconda della posizione e della natura dell’amminoacido, le frameshift alterano di solito drasticamente la struttura primaria della proteina.

Mutazioni nelle regioni non codificanti

• Il DNA non codificante include: promotori, enhancer, silencer, LCR, introni, 5’UTR e 3’UTR.

• Conseguenze fenotipiche:

  1. Mutazioni in promotori/enhancer/silencer → modificano quantitativamente l’espressione del gene, senza alterare la proteina.

  2. Mutazioni in LCR → possono influenzare l’espressione di interi cluster genici.

  3. Mutazioni nel 5’UTR → alterano il riconoscimento dell’mRNA da parte dei ribosomi → diminuzione della traduzione.

  4. Mutazioni nel 3’UTR → alterano la stabilità, la localizzazione e il legame con microRNA o proteine regolatrici → variazione dell’espressione del gene.

Mutazioni nei siti di splicing canonici

• Siti canonici:

  • Donatore intronico: GU

  • Accettore intronico: AG

• Effetti di mutazioni nei siti canonici:

  1. Exon skipping (omissione di esoni) → perdita di tratti codificanti essenziali → polipeptide non funzionale o mRNA instabile.

  2. Intron retention (ritenzione di introni) → l’introne non viene rimosso → aggiunta di amminoacidi extra o stop prematuro → proteina tronca.

  3. Frameshift da splicing alterato → se il numero di nucleotidi introdotti o rimossi non è multiplo di 3, il polipeptide risultante è generalmente non funzionale.

Mutazioni nei siti criptici di splicing

• Alcune sequenze simili ai siti canonici non vengono normalmente utilizzate.

• Mutazioni possono attivare questi siti nascosti o criptici, portando a:

  • Inserzione di nuovi amminoacidi nel polipeptide.

  • Perdita di DNA codificante se il sito criptico sostituisce un esone.

• Conseguenza: mutazioni apparentemente silenti possono avere gravi effetti fenotipici, poiché anche un singolo nucleotide critico può alterare drasticamente lo splicing.

Effetti molecolari complessivi

• Frameshift → proteine con sequenza primaria completamente diversa.

• Mutazioni di splicing → proteine con esoni mancanti o introni mantenuti, polipeptidi tronchi o non funzionali.

• Mutazioni nei regolatori non codificanti → alterazioni quantitative nell’espressione del gene senza modificare la sequenza proteica.

• Questi meccanismi possono portare a:

  • Malattie genetiche ereditarie

  • Disfunzioni cellulari

  • Produzione di proteine con struttura primaria o secondaria alterata.

Che cosa sono gli elementi mobili?

• Gli elementi mobili, o trasponibili, sono sequenze di DNA capaci di spostarsi all’interno di un genoma.

• Sono presenti in procarioti ed eucarioti, rendendoli ubiquitari nei genomi.

• Funzione evolutiva: introducono variazioni genetiche, favorendo novità geniche e diversità evolutiva.

• Rischio: se l’inserzione avviene in geni essenziali o regioni regolatrici, può provocare mutazioni e malattie.

Classificazione degli elementi trasponibili

Gli elementi trasponibili sono divisi in tre classi principali, basate sul meccanismo di trasposizione:

a) Classe I – Trasposizione "cut and paste" (taglia e cuci)

• Presenti in procarioti ed eucarioti.

• Meccanismo: escissione di un tratto di DNA dal sito originale → inserimento in un nuovo sito.

• Enzima coinvolto: trasposasi, codificata spesso nello stesso elemento trasponibile.

• Conseguenze: mutazioni per inserzione se il nuovo sito si trova in un gene o in regioni regolatrici.

b) Classe II – Trasposizione replicativa

• Meccanismo: l’elemento trasponibile viene duplicato.

• Una copia resta al sito originario, l’altra si inserisce in un sito nuovo tramite trasposasi.

• Effetto: aumento del numero di copie dell’elemento nel genoma → possibilità di duplicazioni geniche.

c) Classe III – Retrotrasposoni (solo eucarioti)

• Trasposizione tramite intermedi RNA → necessaria retrotrascrizione.

• Passaggi:

  1. L’elemento viene trascritto in RNA.

  2. L’RNA serve da stampo per trascrittasi inversa → DNA a doppio filamento.

  3. Inserimento del DNA nel genoma in un nuovo sito.

• Tipi principali negli esseri umani:

  • LINEs (Long Interspersed Nuclear Elements) → L1 è il più frequente.

  • SINEs (Short Interspersed Nuclear Elements).

  • Retrotrasposoni LTR-simili → ricordano i geni dei retrovirus.

Effetti degli elementi trasponibili sul genoma

• Mutagenesi inserzionale → inserzione in un gene può causare perdita di funzione.

• Alterazione dell’espressione genica → inserzione in promotori o regioni regolatrici:

  • Blocca l’espressione.

  • Attiva promotori interni all’elemento trasponibile → espressione anomala.

• Duplicazioni e riarrangiamenti → possono favorire evoluzione genica e novità funzionali.

• Frequenza bassa → se fosse alta, gli effetti sarebbero letali; evoluzione ha selezionato meccanismi di neutralizzazione.

Esempio clinico

• Emofilia A legata all’X: inserzione di un retrotrasposone L1 nel gene F8.

• Analisi: trasposone non presente nei genitori sul cromosoma X, ma presente nella madre sul cromosoma 22.

• Probabile meccanismo: trasposizione durante la gametogenesi femminile, inserzione nel gene F8 → deficit di fattore VIII → emofilia nel figlio maschio.

• Nota: i retrotrasposoni sono più attivi nelle cellule germinali rispetto alle cellule somatiche.

Implicazioni evolutive e funzionali

• Generano novità genetiche e aumentano la variabilità evolutiva.

• Possono essere potenzialmente dannosi, ma la loro bassa frequenza e meccanismi cellulari di controllo (metilazione, RNAi) limitano l’impatto.

• Ruolo in malattie genetiche rare: pochi casi documentati, spesso dovuti a mutazioni inserzionali spontanee.

Cosa sono le ripetizioni di trinucleotidi?

• Nel genoma umano e in altri organismi esistono sequenze ripetute in tandem: più unità identiche di DNA poste una dopo l’altra.

• Classificazione secondo la lunghezza:

  • Microsatelliti: 1–6 bp per unità, lunghezza complessiva fino a ~100 bp; distribuiti nell’eucromatina.

  • Minisatelliti: 100 bp–20 kb; presenti nei telomeri e nelle regioni subtelomeriche.

  • DNA satellite: >20 kb, nei centromeri o in regioni eterocromatiche; possono includere interi geni (dupliconi).

• Caratteristica chiave: instabilità → il numero di ripetizioni può variare tra individui o tra generazioni, creando polimorfismo.

Meccanismi molecolari dell’espansione

Le ripetizioni di trinucleotidi, come CAG o CGG, sono particolarmente soggette a espansioni patologiche. I principali meccanismi sono:

a) Slippage durante la replicazione (slippage/mispairing)

• Durante la replicazione del DNA, il filamento stampo e quello in sintesi possono disallinearsi nelle sequenze ripetute.

• Risultato: aggiunta o perdita di una o più unità di trinucleotidi.

• Maggiore rischio in sequenze altamente ripetute perché favoriscono formazione di loop o hairpin.

b) Crossing-over ineguale

• Durante la meiosi, allineamenti errati tra sequenze omologhe ripetute possono provocare duplicazioni o delezionidi grandi blocchi di triplette.

• Questo meccanismo può generare variazioni significative del numero di ripetizioni da una generazione all’altra.

Mutazioni dinamiche e instabili

• Espansione delle triplette = mutazione dinamica perché il numero di unità può aumentare o diminuire nel tempo.

• Esistono stadi intermedi o premutazioni: il numero di ripetizioni non è ancora sufficiente a causare sintomi, ma aumenta la probabilità che nelle generazioni successive si superi la soglia patologica.

• Questo fenomeno spiega la variabilità fenotipica e la trasmissione familiare.

Anticipazione genetica

• Definizione: progressivo aumento della gravità della malattia e diminuzione dell’età di esordio nelle generazioni successive.

• Esempio: un genitore con sintomi lievi può avere figli con esordio precoce e manifestazioni più severe.

• Meccanismo: correlato all’aumento progressivo del numero di triplette ripetute.

Effetti sulla funzione genica

La patogenesi dipende dalla posizione della ripetizione nel gene:

Posizione della triplette	Meccanismo patogenetico	Esempi clinici
Regioni regolatrici o introni	Loss of function: espansione blocca la trascrizione o l’elaborazione dell’RNA → assenza del prodotto genico	FMR1 (Sindrome X-fragile), DMPK (Distrofia Miotonica), FXN (Atassia di Friedreich)
Regione codificante (CAG)	Gain of function tossico: formazione di tratti poliglutammine (polyQ) → proteina mutata, aggregati cellulari tossici	HD (Huntington), SBMA, DRPLA, SCA1, SCA3

• Nei polyQ diseases, l’eccesso di glutamine nella proteina genera aggregati intracellulari che danneggiano neuroni o altre cellule.

Relazione tra numero di triplette e fenotipo

• Maggiore è il numero di ripetizioni:

  • Esordio più precoce della malattia.

  • Sintomi più gravi.

• Questo spiega perché alcune malattie hanno un decorso progressivo e variabile anche nella stessa famiglia.

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7⃣ Aspetti clinici e genetici

• Malattie tipiche: neurodegenerative (HD, SCA) o neuromuscolari (DMPK).

• Fenotipo influenzato da:

  • Numero di triplette.

  • Posizione della ripetizione nel gene.

  • Eventi generazionali (anticipazione).

• La variabilità del numero di ripetizioni tra individui spiega la polimorfia del locus e la diversità clinica.

MALATTIE DOVUTE ALL’ESPANSIONE DI TRIPLETTE

Malattia	Gene	Triplette	Normale	Patologico	Fenotipo principale

X-fragile

FMR1

CGG

6–50

>200

Ritardo mentale, faccia allungata, testicoli grandi

Friedreich

FRDA

GAA

6–29

200–900

Atassia, perdita coordinazione, scoliosi

Huntington

HTT

CAG

10–34

40–121

Movimenti incontrollati, demenza, cambiamenti di personalità

Distrofia miotonica I

DMPK

CTG

5–37

80–1000

Debolezza muscolare, miotonia, problemi cardiaci

Atrofia muscolare spinale e bulbare

AR

CAG

14–32

>varia

Debolezza muscolare progressiva, anomalie neurologiche

Atassia spino-cerebellare ΧΝ

ATXN

CAG

40–55

>varia

Debolezza muscolare, perdita di coordinazione

Atassie spino-cerebellari (7 tipi)

Vari

CAG

40–130

>varia

Perdita coordinazione, atrofia muscolare

🔑 Punti chiave da ricordare

1. Le ripetizioni di trinucleotidi possono trovarsi sia nelle regioni codificanti sia in quelle regolatorie/introniche:

   • Codificante (CAG) → polyQ → gain of function tossico.

   • Regolatoria/intronica (CGG, CTG, GAA) → loss of function.

2. Il numero di copie determina il passaggio da normale → premutazione → patologico.

3. Fenomeno di anticipazione: maggiore il numero di triplette → esordio più precoce e sintomi più gravi.

4. Malattie tipiche: neurologiche e neuromuscolari, spesso progressive.

Mutazioni Cromosomiche: variazioni della struttura dei cromosomi

Le mutazioni cromosomiche sono cambiamenti che interessano la struttura dei cromosomi, derivanti da fratture e rimaneggiamenti del DNA. Fratture multiple possono produrre:

• reinserimenti errati di frammenti,

• perdita di frammenti,

• scambi tra segmenti non omologhi.

Tutti i cromosomi, soprattutto se lunghi, sono sensibili ad agenti mutageni (radiazioni, virus, sostanze chimiche). Alcune fratture avvengono apparentemente spontaneamente.

Duplicazioni Cromosomiche

Le duplicazioni cromosomiche consistono nella presenza di più copie di uno stesso segmento di DNA all’interno di un cromosoma. Si tratta di mutazioni strutturali che aumentano la quantità di materiale genetico senza rimuovere sequenze esistenti.

Meccanismi di origine:

• Crossing-over ineguale durante la meiosi tra cromosomi omologhi: un segmento viene duplicato su un cromosoma, mentre l’altro cromosoma omologo perde lo stesso segmento.

• Errori nella replicazione del DNA, come slippage della DNA polimerasi.

Conseguenze fenotipiche:

• Possono essere molto variabili; alcune duplicazioni sono innocue, altre possono causare anomalie fenotipiche o letali.

• Durante la meiosi, il cromosoma con duplicazione forma una ansa, visibile al microscopio, per allinearsi all’omologo normale.

Esempi:

• Drosophila melanogaster – gene Bar: la duplicazione del gene Bar sugli occhi produce la forma a barra negli omozigoti; negli eterozigoti, l’effetto può essere più lieve.

• Nella specie umana, alcune duplicazioni sono implicate nella formazione di famiglie geniche, aumentando la variabilità genetica e il materiale su cui può agire la selezione naturale.

Delezioni Cromosomiche

Una delezione consiste nella perdita di un segmento di cromosoma, che può essere terminal (all’estremità) o interstiziale(all’interno). I frammenti acentrici, privi di centromero, vengono persi durante la divisione cellulare.

Meccanismi di origine:

• Rotture cromosomiche spontanee o indotte da agenti mutageni come radiazioni o sostanze chimiche.

• Errori durante il crossing-over o la replicazione.

Conseguenze fenotipiche:

• Grave alterazione della sequenza genica.

• Negli eterozigoti, l’omologo normale può parzialmente compensare, ma spesso il fenotipo è alterato.

• Le delezioni di piccola entità possono essere compatibili con la vita; quelle più grandi generalmente letali.

Esempi umani:

• Sindrome del “cri du chat” (5p15.2–5p15.3): pianto simile al miagolio, ritardo mentale, malformazioni facciali e dell’apparato gastrointestinale.

• Prader-Willi/Angelman (15q11-q13): perdita di regioni critiche del braccio lungo.

• Tumori: Retinoblastoma (delezione 13q14), tumore di Wilms (11p).

Isocromosomi e Cromosomi ad Anello

Isocromosomi:

• Formati da un errato sdoppiamento del cromosoma durante la divisione mitotica o meiotica.

• Il centromero si rompe trasversalmente invece che longitudinalmente, creando due bracci identici.

• Umani: l’unico compatibile con la vita è l’isocromosoma Xq; altri isocromosomi sono spesso associati a tumori (es. isocromosoma 12p).

Cromosomi ad anello:

• Si formano quando entrambi i bracci terminali di un cromosoma si rompono, vengono persi e le estremità rimanenti si uniscono a formare un anello.

• Possono contenere il centromero o meno.

• Spesso causano mosaicismo: alcune cellule hanno cariotipo normale, altre mostrano anomalie fenotipiche.

Inversioni Cromosomiche

Definizione:
Un segmento cromosomico si rompe e si reinserisce dopo una rotazione di 180°.

• Pericentrica: include il centromero.

• Paracentrica: non include il centromero.

Conseguenze:

• Gli individui con inversioni possono essere fenotipicamente normali.

• Durante la meiosi, la formazione di un loop di inversione permette l’appaiamento degli omologhi.

• Se avviene un crossing-over all’interno del loop, possono formarsi gameti sbilanciati con delezioni e duplicazioni.

Traslocazioni Cromosomiche

Spostamento di segmenti di DNA tra regioni dello stesso cromosoma o tra cromosomi diversi.

• Intracromosomica non reciproca: segmento spostato all’interno dello stesso cromosoma.

• Intercromosomica non reciproca: segmento spostato su un altro cromosoma.

• Reciproca: scambio tra due cromosomi non omologhi.

Conseguenze:

• Gameti sbilanciati durante la meiosi.

• Può produrre geni di fusione o alterare l’espressione genica.

Esempi:

• Cromosoma Philadelphia: traslocazione 9/22 → fusione BCR-ABL1 → leucemia mieloide cronica.

• Linfoma di Burkitt: traslocazione 8/14 → proto-oncogene c-MYC sotto promotore delle immunoglobuline.

• Traslocazione robertsoniana (fusione centrica): cromosomi acrocentrici → sindrome di Down familiare. Il soggetto portatore ha 46 cromosomi ma un cromosoma 14/21 fuso, può generare figli affetti o normali.

Espansione di Ripetizioni di Trinucleotidi

Ripetizioni di tre nucleotidi (CAG, CGG, GAA, CTG) che possono espandersi oltre il range normale, causando patologie.

Meccanismi:

• Slippage durante la replicazione: appaiamenti sfalsati del DNA porta a inserzioni/delezioni di unità ripetute.

• Crossing-over ineguale: variazioni nel numero di ripetizioni tra generazioni.

Caratteristiche:

• Mutazioni dinamiche e instabili.

• Fenomeno di anticipazione: più copie → sintomi più precoci e gravi nelle generazioni successive.

Esempi e patologie:

Malattia	Gene	Ripetizione	Normale	Patologico	Fenotipo
Sindrome X-fragile	FMR1	CGG	6–50	>200	Ritardo mentale, faccia allungata, macroorchidismo
Huntington	HTT	CAG	10–34	40–121	Movimenti incontrollati, demenza
Atassia di Friedreich	FRDA	GAA	6–29	200–900	Perdita coordinazione, debolezza muscolare
Distrofia miotonica	DMPK	CTG	5–37	80–1000	Perdita di forza, problemi cardiaci

Elementi Mobili (Trasponibili)

Sequenze di DNA capaci di spostarsi all’interno del genoma. Presenti in procarioti ed eucarioti.

Classi principali:

1. Cut-and-paste: escissione e reinserzione (trasposasi).

2. Replicative: duplicazione e inserzione in nuovi siti.

3. Retrotrasposoni (solo eucarioti): trascritti in RNA, poi retrotrascritti in DNA e reinseriti. Include LINE, SINE e LTR retrovirali.

Conseguenze:

• Mutagenesi inserzionale: interferenza con geni o sequenze regolatrici.

• Frequenza bassa di trasposizione; alta attività può essere letale.

Esempi clinici:

• Emofilia A: inserzione L1 nel gene F8 → assenza del fattore VIII.