le mutazioni introduzione, meccanismi di riparazione del DNA

🧬  Che cos’è la caratteristica principale del DNA?

La caratteristica principale del DNA è la sua capacità di duplicarsi in modo semiconservativo, cioè ogni nuova molecola contiene un filamento originale e uno neosintetizzato.
➡ Questo garantisce fedeltà nella trasmissione dell’informazione genetica da una cellula madre alle cellule figlie.

🧬 Chi ha scoperto la struttura del DNA e cosa implica?

James Watson e Francis Crick (1953) hanno scoperto il modello della doppia elica del DNA.
Capirono che, conoscendo la sequenza di un filamento, l’altro è automaticamente determinato, suggerendo così un meccanismo di copiatura del materiale genetico.

💡 Curiosità:
Il modello è stato pubblicato su Nature nel 1953, e rappresenta una delle più grandi scoperte biologiche del XX secolo.

🧬 Perché il DNA è considerato il “latore” dell’informazione genetica?

Perché può conservare e trasmettere informazioni in modo stabile e fedele, garantendo la continuità genetica tra le generazioni.
Il DNA contiene le istruzioni per costruire e far funzionare un organismo.

🔧 Meccanismi di protezione:

• Correzione degli errori (proofreading) durante la replicazione.

• Sistemi di riparazione del DNA che eliminano mutazioni accidentali.

🌱Chi introdusse il concetto di mutazione e mutante?

Il botanico olandese Hugo de Vries (1848–1935), osservando variazioni spontanee nelle piante, ipotizzò la presenza di cambiamenti improvvisi nei geni e coniò i termini mutazione e mutante.

🧬 Che cosa sono gli alleli?

Gli alleli sono versioni alternative dello stesso gene situate nello stesso locus (posizione) su cromosomi omologhi.

La ricombinazione genica e la segregazione degli alleli nei gameti durante la meiosi aumentano la diversità geneticatra gli individui.

🌍 Come le mutazioni contribuiscono all’evoluzione?

Le mutazioni introducono novità genetiche che possono:

• fornire nuove possibilità di adattamento,

• aumentare la variabilità intra-specie,

• permettere una migliore sopravvivenza in ambienti in cambiamento.

👉 Queste novità sono la base della selezione naturale e quindi dell’evoluzione biologica.

⚖ Perché il tasso di mutazione deve essere bilanciato?

Perché:

• se troppo alto, può causare mutazioni dannose o letali, portando all’estinzione;

• se troppo basso, manca la variabilità necessaria all’evoluzione.

➡ Gli organismi mantengono un equilibrio naturale tra stabilità genetica e innovazione evolutiva.

🧫 Che cosa sono le mutazioni patogenetiche?

Sono mutazioni che causano malattie o alterazioni del fenotipo.
Possono:

• modificare la funzione di una proteina,

• aumentare la suscettibilità a una patologia,

• o provocare malattie ereditarie (es. anemia falciforme, fibrosi cistica).

💡 Qual è il legame tra mutazione e variabilità genetica?

La mutazione è la sorgente primaria della variabilità genetica.
Questa variabilità:

• viene amplificata da fenomeni come ricombinazione e sessualità,

• permette alle specie di adattarsi e sopravvivere nel tempo.

🧬 Cos’è una mutazione?

Una mutazione è un evento casuale, stabile ed ereditabile che provoca un cambiamento nel patrimonio genetico di un organismo.

Può:

• avvenire in qualsiasi tipo di DNA (anche mitocondriale),

• colpire regioni codificanti o non codificanti del genoma,

• avere effetti diversi sul fenotipo.

💡 Approfondimento:
Le mutazioni non sono sempre “cattive”: molte sono neutre o benefiche, e rappresentano la base della variabilità genetica ed evolutiva.

🧫 A quali livelli può avvenire una mutazione?

Le mutazioni si classificano in base alla dimensione e all’estensione della variazione:

1. Mutazioni geniche o puntiformi → coinvolgono una o poche basi del DNA.

2. Mutazioni cromosomiche → alterano la struttura di un cromosoma (es. perdita, duplicazione o inversione di tratti).

3. Mutazioni genomiche → modificano il numero complessivo di cromosomi (es. trisomie, monosomie).

🎯 Esempio:

• Mutazione genica → anemia falciforme (una singola base cambiata nel gene della β-globina).

• Mutazione cromosomica → delezione di un frammento del cromosoma 5 (sindrome del “cri du chat”).

• Mutazione genomica → trisomia 21 (sindrome di Down).

⚙ Cosa determina l’effetto di una mutazione sul fenotipo?

L’effetto dipende da dove e come avviene la mutazione:

• Se colpisce un gene essenziale o una regione regolatrice, può alterare gravemente la funzione.

• Se colpisce DNA non codificante, può essere neutra o avere effetti regolatori indiretti.

Cosa sono le mutazioni con perdita di funzione (loss of function)?

Sono mutazioni che riducono o eliminano la funzione di un gene.
➡ Il prodotto genico (proteina o RNA) può essere:

• non sintetizzato,

• non funzionante,

• o prodotto in quantità insufficiente.

Esempi:

• Mutazione nel gene CFTR → causa fibrosi cistica.

• Mutazione nel gene BRCA1 → riduce la protezione contro i tumori.

⚡ Cosa sono le mutazioni con acquisto di funzione (gain of function)?

Sono mutazioni che potenziano o modificano la funzione del gene, causando una nuova attività o una iperattività.

Esempi:

• Mutazioni che causano iperespressione di oncogeni, come RAS o MYC, possono portare allo sviluppo di tumori.

• Mutazione nel gene FGFR3 → accrescimento osseo anomalo (nanismo acondroplasico).

🧬Differenza tra mutazioni somatiche e germinali

Tipo di mutazione	Dove avviene	Effetti	Ereditarietà
Somatica	In cellule del corpo (non germinali)	Può causare malattie come il cancro, ma resta limitata all’individuo	❌ Non ereditaria
Germinale	Nelle cellule della linea germinale (spermatozoi o ovuli)	Può essere trasmessa alla prole	✅ Ereditaria

💡 Approfondimento:
Tutte le cellule del nuovo organismo derivato da un gamete mutato porteranno la mutazione, che potrà quindi trasmettersi alle generazioni successive.

🧩 7. Classificazione dettagliata delle mutazioni geniche (puntiformi)

🔹 Sostituzioni di basi

Una base del DNA viene sostituita con un’altra.
Possono essere:

• Transizioni: purina ↔ purina (A ↔ G) o pirimidina ↔ pirimidina (C ↔ T).

• Trasversioni: purina ↔ pirimidina (A o G ↔ C o T).

🔹 Tipi di sostituzioni secondo l’effetto:

• Silente (samesense): non cambia l’amminoacido → nessun effetto.

• Missense: cambia un amminoacido → può alterare la proteina.

  • Missense neutra: sostituzione con amminoacido simile → effetto minimo.

• Nonsense: sostituzione che introduce un codone di stop prematuro → proteina troncata e non funzionale.

🔹 Inserzioni e delezioni

• Inserzione: aggiunta di una o più basi.

• Delezione: perdita di una o più basi.
  ➡ Se il numero di basi inserite o rimosse non è multiplo di 3, si genera una mutazione frameshift, che sposta la cornice di lettura → proteina completamente alterata.

🧬 Mutazioni cromosomiche: variazioni strutturali

1. Delezione: perdita di un tratto di cromosoma.

   • Interstiziale (parte interna persa) o terminale (parte finale persa).

2. Duplicazione: ripetizione di un tratto di cromosoma.

3. Inversione: un tratto di DNA si stacca, ruota e si reinserisce al contrario.

   • Pericentrica → coinvolge il centromero.

   • Paracentrica → non coinvolge il centromero.

4. Traslocazione: scambio di frammenti tra cromosomi diversi.

   • Reciproca → scambio bidirezionale.

   • Non reciproca → scambio unidirezionale.

⚠ Esempio clinico:
La traslocazione reciproca t(9;22) → forma il cromosoma Philadelphia, tipico della leucemia mieloide cronica.

🧬 Mutazioni genomiche: variazioni del numero di cromosomi

• Euploidia: numero normale di set cromosomici (es. 2n).

• Aneuploidia: variazione del numero di cromosomi (non multiplo del set).

  • Monosomia (2n–1): mancanza di un cromosoma (es. sindrome di Turner, X0).

  • Trisomia (2n+1): un cromosoma in più (es. trisomia 21, Down).

• Poliploidia: più di due set completi di cromosomi (3n, 4n, ecc.).

  • Autopoliploidia: duplicazione del proprio genoma.

  • Allopoliploidia: fusione di genomi di specie diverse (tipica delle piante).

🧬 Da dove originano le mutazioni?

Le mutazioni possono avere origine spontanea (senza causa apparente) oppure essere indotte da agenti esterni (fisici, chimici o biologici).

• Spontanee: avvengono casualmente, per errori naturali nei processi cellulari.

• Indotte: causate da mutageni, cioè agenti che aumentano artificialmente la frequenza di mutazione.

💡 Ricorda:
Ogni mutazione, spontanea o indotta, modifica in modo stabile e ereditabile il DNA, ma solo quelle nella linea germinale possono essere trasmesse alla prole.

⚛ Cosa sono le mutazioni spontanee?

Sono mutazioni che si verificano naturalmente, senza intervento di fattori esterni.
Sono dovute a errori interni alla cellula o a processi biochimici normali che, occasionalmente, alterano il DNA.

📍Cause principali:

1. Errori durante la replicazione del DNA (es. inserzione o sostituzione di una base).

2. Errori nei processi di ricombinazione o segregazione dei cromosomi.

3. Eventi di trasposizione → spostamento di sequenze mobili (trasposoni).

4. Reazioni chimiche spontanee nel DNA:

   • Deaminazione (C → U),

   • Depurinazione (perdita di basi A o G).

🧠 Approfondimento:
Anche se esistono enzimi di “correzione delle bozze” e sistemi di riparazione del DNA, alcuni errori sfuggono al controllo, diventando mutazioni vere e proprie.

⚙ Cosa si intende per mutazioni indotte?

Sono mutazioni provocate da agenti mutageni esterni (fisici, chimici o biologici) che aumentano artificialmente il tasso di mutazione.

Esempi di cause:

• Radiazioni ionizzanti (raggi X, raggi γ) → rotture del DNA.

• Radiazioni UV → formazione di dimeri di timina.

• Sostanze chimiche → alterano le basi o ne imitano la struttura.

• Virus o elementi trasponibili → inseriscono il loro DNA nel genoma ospite.

⚠ Nota:
Molti mutageni sono anche cancerogeni, perché le mutazioni indotte in geni di controllo del ciclo cellulare possono favorire lo sviluppo di tumori.

💥 Cosa sono gli agenti mutageni?

Gli agenti mutageni sono fattori fisici, chimici o biologici che modificano la struttura del DNA o interferiscono con i suoi meccanismi di replicazione e riparazione.

🔹Mutageni fisici

• Radiazioni UV: provocano legami anomali tra basi adiacenti (dimeri di timina).

• Radiazioni ionizzanti: rompono i filamenti del DNA (singoli o doppi).

🔹Mutageni chimici

• Agenti alchilanti (es. etilmetansolfonato, EMS) → modificano basi azotate.

• Analoghi delle basi (es. 5-bromouracile) → imitano le basi naturali e causano errori di appaiamento.

• Acridine e intercalanti (es. proflavina) → si inseriscono tra le basi del DNA e provocano frameshift.

🔹Mutageni biologici

• Virus → possono inserire il proprio DNA nel genoma ospite (es. HPV, virus dell’epatite B).

• Trasposoni → segmenti mobili di DNA che si “spostano” e alterano geni.

📊 Frequenza e tasso di mutazione

• Frequenza di mutazione: numero di volte in cui una mutazione compare in una popolazione.

• Tasso di mutazione: probabilità che una mutazione avvenga in un determinato gene per generazione.

📉 Valori tipici:

• Nell’uomo: da 10⁻⁴ a 10⁻⁷ mutazioni/gene/generazione.

• Varia a seconda di:

  1. Dimensione del gene (più grande → più mutabile).

  2. Presenza di “hot spots” → regioni particolarmente soggette a mutazioni.

  3. Sequenze CpG islands → basi citosina seguite da guanina, più instabili per metilazione.

💡 Esempi concreti:

• Gene DMD (distrofia muscolare di Duchenne): tasso di mutazione alto (~1/10.000).

• Gene piccoli (es. per enzimi metabolici): tasso molto più basso (~1/10.000.000).

🧠 Da cosa dipende la frequenza naturale delle mutazioni?

Dipende da:

• la costituzione genetica dell’individuo (alcuni genomi sono più instabili),

• la lunghezza e la complessità del gene,

• l’efficienza dei sistemi di riparazione del DNA,

• l’ambiente intracellulare (presenza di radicali liberi o stress ossidativo).

• Le mutazioni spontanee sono una fonte essenziale di variabilità per l’evoluzione.

• Le mutazioni indotte sono usate in ricerca genetica e miglioramento delle piante (mutagenesi controllata).

• Alcuni organismi come i virus a RNA (es. HIV, influenza) hanno altissimi tassi di mutazione, motivo per cui evolvono rapidamente e resistono ai farmaci.

🧠 cosa sono le mutazioni spontanee?

Le mutazioni spontanee sono variazioni del DNA che avvengono senza intervento di agenti esterni, cioè in modo naturale e casuale.
Sono eventi rari, ma inevitabili, che derivano da errori intrinseci nei processi molecolari cellulari, come:

• la replicazione del DNA,

• la ricombinazione genetica,

• oppure da reazioni chimiche spontanee a carico delle basi azotate.

Caratteristiche principali:

• Avvengono senza causa apparente esterna.

• Sono stabili ed ereditabili se non vengono corrette dai sistemi di riparazione.

• Sono alla base della variabilità genetica naturale, ma anche di malattie ereditarie e tumori.

⚙ quando si verificano?

Principalmente durante la replicazione del DNA, fase in cui la doppia elica viene separata e copiata.
Il macchinario enzimatico (DNA polimerasi e proteine accessorie) ha il compito di:

• Aggiungere nucleotidi complementari alla catena stampo;

• Controllare la correttezza dell’appaiamento;

• Correggere gli errori tramite meccanismi di proofreading.

Tuttavia, anche la DNA polimerasi non è infallibile:

• in media, commette 1 errore ogni 10⁷–10⁸ basi,

• ma grazie ai sistemi di correzione, solo 1 su 10⁹–10¹⁰ diventa una mutazione stabile.

🧪erroi dovuti alle basi tautomeriche

Che cosa sono i tautomeri?
Le basi azotate del DNA (adenina, timina, citosina e guanina) possono esistere sotto due forme strutturali alternative, dette tautomeriche:

• una forma stabile (più comune),

• e una forma rara e transitoria (tautomero).

Queste forme differiscono per la posizione di atomi di idrogeno e per la distribuzione dei legami (es. cheto ↔ enolo o ammino ↔ immino).

Effetto sul DNA:
Le forme tautomeriche alterano la capacità di formare legami idrogeno, generando appaiamenti anomali (non canonici).

Esempi:

• Adenina (in forma tautomerica) → si appaia con citosina invece che con timina → errore A–C.

• Guanina (in forma tautomerica) → si appaia con timina invece che con citosina → errore G–T.

Conseguenza finale:
Se la base ritorna poi alla forma normale, la nuova catena conserva l’errore. Dopo 2–3 cicli di replicazione, l’errore si “fissa” → si ottiene una mutazione puntiforme detta transizione (purina↔purina o pirimidina↔pirimidina).

💡 Esempio pratico:
DNA originale: 5’-G C-3’
→ forma tautomerica G–T durante la replicazione
→ successivamente: 5’-A T-3’
→ mutazione G:C → A:T (transizione).

🧬 slittamento dell’elica

Durante la replicazione, il DNA polimerasi può incontrare sequenze ripetute (come AAAA, CCGG, ecc.) e “scivolare” sullo stampo, causando appaiamenti disallineati.

Due possibilità:

1. 🔹 Slittamento della catena stampo:
   → una o più basi della catena madre sporgono e non vengono copiate.
   → Risultato: delezione nella nuova catena.

2. 🔹 Slittamento della nuova catena:
   → lo stampo viene “letto due volte”.
   → Risultato: inserzione di basi aggiuntive.

Effetto complessivo:
Entrambi i casi producono mutazioni frameshift, cioè spostano la cornice di lettura del gene durante la traduzione → la proteina risultante è totalmente alterata e spesso non funzionale.

💡 Esempio clinico:
L’espansione di triplette ripetute (come CAG, CGG) causa malattie genetiche come:

• Corea di Huntington,

• Sindrome dell’X fragile,

• Distrofia miotonica.

Queste patologie derivano proprio da slittamenti ripetuti in zone “hot spot”.

cosa sono gli hot spots?

Gli hot spots sono regioni del genoma particolarmente predisposte a mutazioni.
Sono caratterizzate da:

• sequenze ripetute o simmetriche,

• presenza di CpG islands (regioni ricche in C seguita da G),

• basi chimicamente instabili, come la 5-metilcitosina.

Motivo:
Le CpG possono essere metilate (→ 5-metilcitosina), e questa base è chimicamente molto reattiva, soggetta a deaminazione spontanea che la trasforma in timina → errore non riconosciuto → mutazione stabile.

Effetto evolutivo:
Questi “punti caldi” contribuiscono alla diversità genetica ma anche a mutazioni patologiche nei geni cruciali (es. p53, BRCA1).

cos’è la depurinazione?

È la perdita spontanea di una base purinica (adenina o guanina) dal DNA.
Avviene per rottura del legame N-glicosidico tra base e desossiribosio, lasciando un sito “vuoto” detto sito apurinico (AP site).

Cause:

• Attacchi idrolitici spontanei (acqua → rottura del legame).

• Normale instabilità chimica del DNA in ambiente cellulare.

Conseguenze:

• Durante la successiva replicazione, la DNA polimerasi trova un “buco” e può inserire un nucleotide casuale → mutazione non prevedibile.

💡 Dati quantitativi:
Ogni cellula umana subisce circa 10.000 depurinazioni al giorno, ma quasi tutte vengono riparate dal sistema BER (Base Excision Repair).

cos’è la deaminazione?

La deaminazione è una reazione chimica spontanea in cui una base azotata del DNA perde un gruppo amminico (-NH₂).
Questo gruppo è importante perché contribuisce a determinare quali legami idrogeno la base può formare.
Quando lo perde, la base cambia struttura e comportamento chimico, quindi non si appaia più con la base corretta, ma con un’altra.

👉 In pratica, una base “si trasforma” in un’altra, e questo cambia le coppie canoniche A=T / G≡C.

COME AVVIENE

Nel nucleo cellulare, il DNA è immerso in un ambiente acquoso dove avvengono continuamente piccole reazioni chimiche:

• idrolisi (rottura con H₂O),

• ossidazioni,

• e deaminazioni.

Queste reazioni non richiedono agenti esterni: sono spontanee e dipendono dal tempo, dal pH e dalla temperatura fisiologica.
La cellula normalmente le ripara subito, ma se l’errore sfugge, viene “fissato” nella prossima replicazione.

conseguenze

Una mutazione cambia la sequenza di DNA → può alterare:

• la proteina prodotta,

• la sua funzione,

• oppure non avere effetto (mutazione silente).

TIPI DI DEAMINAZIONE E CONSEGUENZE CHIMICHE

Base di partenza	Base dopo la deaminazione	Effetto sull’appaiamento	Conseguenza mutazionale
Citosina (C)	→ Uracile (U)	U si appaia con Adenina (A)	Alla replicazione → G:C diventa A:T (transizione)
5-metilcitosina (5mC)	→ Timina (T)	T si appaia con Adenina (A)	Mutazione non riconosciuta → transizione stabile G:C → A:T
Adenina (A)	→ Ipossantina (I)	I si appaia con Citosina (C)	A:T → G:C (transizione)
Guanina (G)	→ Xantina (X)	X si appaia ancora con Citosina (C)	Di solito nessuna conseguenza, ma può bloccare la replicazione

⚙ Tipi di effetto

Tipo	Effetto	Esempio
Silente	Nessun cambiamento nella proteina	AAA→AAG (Lys)
Missense	Cambia un amminoacido	Anemia falciforme
Nonsense	Codone di stop prematuro	Distrofia Duchenne
Frameshift	Inserzione/delezione → lettura spostata	Talassemia β

cos’è la depurinazione?

• La depurinazione è la perdita spontanea di una base purinica (Adenina o Guanina) dal DNA.

• Si rompe il legame N-glicosidico che lega la base allo zucchero (desossiribosio).

• La molecola rimane con un sito apurinico (AP site), priva della base.

🔹 Meccanismo e conseguenze

1. Sito AP presente → DNA polimerasi deve replicare la sequenza.

2. La polimerasi inserisce un nucleotide casuale → mutazione puntiforme.

3. Se vicino a sequenze ripetute → possibile frameshift (spostamento della cornice di lettura).

Nota: la depurinazione è casuale ma molto frequente: ~10.000 eventi/cellula/giorno.

🔹 Riparazione

• Il sistema Base Excision Repair (BER):

  1. Rimuove lo zucchero senza base (AP site).

  2. Inserisce la base corretta → evita mutazione.

• Se BER fallisce → mutazione fissa → possibile effetto fenotipico.

🔹 Implicazioni biologiche

• Fonte di variabilità genetica spontanea.

• Se colpisce geni essenziali → può causare malattie ereditarie o aumentare il rischio di cancro.

• Combina frequenza elevata e riparabilità → equilibrio tra stabilità genomica e evoluzione.

differenza tra deaminazione e depurinazione

• Deaminazione: cambia identità chimica della base, ma la base resta legata allo zucchero.

• Depurinazione: perde completamente la base, lasciando un buco (AP site) nel DNA.

• Entrambe possono portare a mutazioni puntiformi, ma il meccanismo chimico e il tipo di danno sono diversi.

cos’è la 5mC?

La 5-metilcitosina è una citosina naturale modificata con un gruppo metile sul carbonio 5. Si trova soprattutto nelle regioni CpG, che sono importanti per la regolazione dell’espressione genica e per meccanismi epigenetici.

Questa base può subire deaminazione spontanea, trasformandosi in timina. A differenza della citosina normale, che quando diventa uracile viene riconosciuta e riparata dai sistemi di riparazione del DNA, la timina derivata dalla 5-metilcitosina non viene correttamente riconosciuta come errore. Di conseguenza, la mutazione rimane stabile e permanente.

Questo fenomeno porta alla sostituzione di una coppia G-C con una coppia A-T. Le regioni ricche di 5-metilcitosina, come le CpG islands, diventano quindi punti caldi per le mutazioni spontanee. Queste mutazioni sono tra le più comuni nel genoma umano e possono avere effetti importanti, sia sull’evoluzione che sulla comparsa di malattie genetiche o tumori.

In sintesi, la presenza di 5-metilcitosina aumenta la probabilità di mutazioni spontanee non riparabili, rappresentando una delle principali fonti di variabilità genetica e di transizioni C-T nel DNA umano.

cosa sono le mutazioni indotte?

Le mutazioni indotte sono variazioni del DNA che si verificano quando la frequenza di mutazione aumenta per l’azione di agenti esterni, detti mutageni, chimici o fisici. Questi agenti favoriscono errori durante la replicazione del DNA, modificano le basi o danneggiano la struttura cromosomica.

Le mutazioni indotte rappresentano un compromesso evolutivo: le novità genetiche sono utili per la diversità e l’adattamento, ma solo quelle selezionate stabilmente dall’ambiente restano nel genoma a lungo termine.

mutageni chimici

I mutageni chimici sono sostanze in grado di aumentare il tasso di mutazioni rispetto al livello spontaneo. Possono agire in diversi modi: modificando le basi del DNA, intercalandosi tra le coppie di basi, generando radicali altamente reattivi, o alterando la catena stampo durante la replicazione. Possono avere specificità variabile, alcuni selezionano bersagli precisi nel genoma e vengono usati come strumenti sperimentali per identificare geni o sequenze.

🔹 Tipologie principali e meccanismi1⃣ Analogi delle basi

• Molecole simili alle basi naturali, incorporabili nel DNA durante la replicazione.

• Esempio: 5-bromouracile (5BU), derivato della timina con il gruppo metile sostituito dal bromo.

  • Stato normale → si comporta come timina → si appaia con adenina

  • Stato raro → si comporta come citosina → si appaia con guanina

• Conseguenze:

  • Se incorporato nello stato normale e poi passa allo stato raro → transizione TA → CG

  • Se incorporato nello stato raro → transversione CG → AT

• Importanza: strumenti per riconoscere sequenze nucleotidiche e identificare geni mutanti.

2⃣ Agenti alchilanti

• Chimici che aggiungono gruppi alchilici (metile, etile) alle basi.

• Effetto principale: alterano l’appaiamento canonico → coppie di basi non corrette.

• Esempi: guanina metilata si comporta come adenina, timina metilata come citosina.

• Conseguenza: mutazioni puntiformi per transizione (es. G→A, T→C).

• Uso sperimentale: studio dei geni e identificazione dei loci mutati.

3⃣ Agenti intercalanti

• Molecole planari, simili per dimensioni e forma a una coppia di basi purina-pirimidina.

• Si inseriscono tra le coppie di basi del DNA.

• Esempi: coloranti acridinici, proflavina.

• Meccanismo:

  • Inserimento nel filamento stampo → inserzione casuale di un nucleotide → mutazione frameshift

  • Inserimento nel filamento neo-sintetizzato → alla replicazione successiva → delezione → frameshift

• Conseguenza: alterazione della cornice di lettura, possibile perdita di funzione proteica.

4⃣ Radicali liberi chimici

• Molecole o atomi con un elettrone spaiato, molto reattivi.

• Possono reagire con:

  • Basi azotate → modificazioni chimiche → mutazioni

  • Altre molecole biologiche → perossidazione lipidica delle membrane

• Conseguenze: danni irreversibili, mutazioni puntiformi o estese, alterazioni strutturali, possibili effetti sulla divisione cellulare.

🔹 Effetti generali dei mutageni chimici

• Errori durante la replicazione → mutazioni puntiformi o frameshift

• Alterazione delle coppie di basi → transizioni o transversioni

• Danno alle sequenze geniche → possibile perdita di funzione o acquisizione di funzione

• Possono essere specifici per alcuni loci (hot spots mutazionali)

• Contribuiscono alla variabilità genetica, evoluzione, ma anche malattie e cancro

mutageni fisici

I mutageni fisici sono agenti esterni che aumentano il tasso di mutazioni nel DNA tramite danno diretto o indiretto alle basi, alla struttura dei cromosomi o al meccanismo di replicazione. Possono essere radiazioni ionizzanti o radiazioni UV.

• L’azione è spesso subdola e diffusa, non sempre evidente.

• Possono influire sia sull’individuo esposto sia sulla progenie, con effetti a lungo termine sulle popolazioni.

1⃣ Radiazioni ionizzanti

• Comprendono raggi X, raggi alfa, gamma.

• Meccanismo: superano l’energia di legame degli elettroni → generano radicali liberi.

• Effetti sul DNA:

  • Danno diretto alle basi → alterazioni chimiche

  • Rottura dello scheletro zucchero-fosfato → rottura cromosomi

  • Danno all’apparato di divisione cellulare → possibile morte cellulare o aberrazioni

• Conseguenze: mutazioni, alterazioni cromosomiche, potenziali effetti sull’organismo e progenie.

2⃣ Luce ultravioletta (UV)

• Lunghezza d’onda ~260 nm → assorbita da purine e pirimidine.

• Effetti principali: dimeri di timina tra basi adiacenti sullo stesso filamento.

• Conseguenze:

  • Distorsione della doppia elica

  • Blocco della replicazione se il dimero non viene riparato → la sequenza non può essere copiata correttamente

• Sistemi di riparazione:

  • Fotoliasi (in presenza di luce)

  • Riparazione scissione nucleotidica (al buio)

• Nota: gli organismi esposti al sole hanno sistemi di protezione, ma dosi elevate (es. radiazioni nucleari) possono essere letali.

• 3⃣ Radicali liberi fisici

  • Generati da radiazioni ionizzanti o UV.

  • Molecole o atomi con elettrone spaiato, altamente reattivi.

  • Possono reagire con:

    • basi azotate → modificazioni chimiche → mutazioni

    • membrane e altre strutture → danni irreversibili

  • Conseguenze: mutazioni puntiformi, frameshift, rotture cromosomiche, morte cellulare.

  🔹 Effetti generali dei mutageni fisici

  • Danno diretto al DNA → mutazioni puntiformi o estese

  • Distorsione della doppia elica → blocco replicazione

  • Alterazioni cromosomiche → possibile perdita di funzione, aberrazioni

  • Variabilità genetica e rischi per la salute → aumento di suscettibilità a malattie o tumori

  🔹 Prevenzione

  • Limitare l’esposizione a mutageni fisici e chimici

  • Utilizzare sistemi di protezione naturali o artificiali

  • Importante per ridurre danni irreversibili a individui, progenie e popolazioni

radicali liberi mutageni chimici vs radicali liberi mutageni fisici

🔹 Radicali liberi come mutageni chimici

• Generati da sostanze chimiche altamente reattive (es. ossidanti, agenti alchilanti).

• Agiscono chimicamente sul DNA e su altre molecole biologiche, modificando basi azotate o provocando perossidazione lipidica delle membrane.

• Conseguenze: mutazioni puntiformi o estese, danni irreversibili.

🔹 Radicali liberi come mutageni fisici

• Generati da radiazioni ionizzanti o UV che strappano elettroni dagli atomi.

• Possono reagire con basi del DNA, scheletro zucchero-fosfato o membrane cellulari.

• Conseguenze: mutazioni, rotture cromosomiche, danni alla replicazione o alla divisione cellulare.

Cos’è la riparazione del DNA e quale funzione svolge?

La riparazione del DNA è l’insieme dei processi cellulari deputati a riconoscere, rimuovere e correggere le alterazioni nella sequenza nucleotidica del DNA.
Queste alterazioni (mutazioni o lesioni) possono derivare:

• da errori endogeni, come quelli introdotti durante la replicazione del DNA o causati dai ROS (specie reattive dell’ossigeno);

• da agenti esogeni, come radiazioni UV, radiazioni ionizzanti, sostanze chimiche mutagene o virus.

Il mantenimento dell’integrità genomica è fondamentale per la sopravvivenza e la stabilità genetica della cellula.
Se i danni non vengono riparati, possono provocare:

• mutazioni puntiformi, delezioni o riarrangiamenti cromosomici;

• blocchi della replicazione o della trascrizione;

• e, nel lungo periodo, malattie genetiche, tumori e invecchiamento cellulare.

La cellula possiede diversi sistemi di riparo, alcuni attivi durante la replicazione, altri dopo la duplicazione, che lavorano costantemente per evitare l’accumulo di errori.

Come corregge gli errori la DNA polimerasi durante la replicazione?

Durante la sintesi del nuovo filamento, la DNA polimerasi inserisce i nucleotidi complementari alla sequenza stampo. Tuttavia, occasionalmente può incorporare un nucleotide sbagliato.
Per questo possiede un meccanismo di autocontrollo detto attività esonucleasica 3’→5’, o proofreading (correttore di bozze).

👉 Se la DNA polimerasi inserisce una base errata, la riconosce subito grazie alla distorsione nella doppia elica.
Quindi:

1. Arresta momentaneamente la sintesi.

2. Rimuove il nucleotide sbagliato tagliandolo con l’attività esonucleasica 3’→5’.

3. Riprende la sintesi inserendo il nucleotide corretto.

Questo processo riduce il tasso di errore da 1 su 10⁵ a circa 1 su 10⁷-10⁹ nucleotidi.
Tuttavia, alcuni errori sfuggono comunque al proofreading e vengono corretti successivamente da altri sistemi di riparazione post-replicativi (es. Mismatch Repair).

Cosa accade quando i sistemi di riparazione del DNA si guastano o rallentano?

Il malfunzionamento dei sistemi di riparazione del DNA comporta la perdita della capacità di mantenere l’integrità del genoma.
Ciò provoca:

• Accumulo progressivo di mutazioni somatiche, che alterano la funzione delle proteine.

• Instabilità genomica, cioè maggiore propensione a errori cromosomici e rotture del DNA.

• Invecchiamento precoce: la cellula accumula danni non riparati, entra in senescenza e smette di dividersi.

• Aumentato rischio di neoplasie, poiché mutazioni nei geni oncosoppressori o proto-oncogeni favoriscono la trasformazione tumorale.

🔬 Esperimenti condotti su modelli animali con geni di riparazione inattivati (knock-out) hanno mostrato:

• rapido invecchiamento dei tessuti,

• comparsa precoce di malattie tipiche dell’età avanzata,

• incremento della suscettibilità al cancro.

Viceversa, cellule con sovraespressione di geni di riparo mostrano maggiore longevità e resistenza ai mutageni.

Quali sono i possibili destini di una cellula con DNA gravemente danneggiato?

Se i danni al DNA superano la capacità di riparazione, la cellula può seguire tre vie principali:

1. Senescenza cellulare → arresto permanente del ciclo cellulare.

   • La cellula rimane metabolicamente attiva ma non si divide più.

   • È un meccanismo di difesa contro la proliferazione di cellule mutate.

   • Tuttavia, l’accumulo di cellule senescenti nei tessuti contribuisce all’invecchiamento e all’infiammazione cronica (“inflammaging”).

2. Apoptosi → morte cellulare programmata.

   • Attivata se il danno è irreparabile.

   • Serve a eliminare cellule potenzialmente tumorali o disfunzionali.

   • È regolata da geni come p53, che percepisce il danno e induce l’espressione di proteine pro-apoptotiche.

3. Carcinogenesi → trasformazione neoplastica.

   • Se i sistemi di controllo (p53, checkpoint del ciclo cellulare, riparazione) falliscono, le mutazioni si accumulano.

   • Ciò porta alla comparsa di cellule tumorali, capaci di dividersi senza limiti.

Qual è il ruolo della senescenza e dell’apoptosi nella protezione dell’organismo?

La senescenza e l’apoptosi rappresentano due strategie complementari per prevenire la propagazione di cellule danneggiate:

• La senescenza impedisce la divisione cellulare di cellule con DNA compromesso.

• L’apoptosi elimina completamente tali cellule.

Entrambe proteggono l’organismo dalla carcinogenesi.
Tuttavia, con l’età, questi meccanismi diventano meno efficienti:

• Le cellule senescenti si accumulano, producendo citochine pro-infiammatorie e alterando il microambiente tissutale.

• L’apoptosi può ridursi, permettendo la sopravvivenza di cellule mutate.

Il risultato è una progressiva perdita di omeostasi tissutale, riduzione della rigenerazione e aumento del rischio tumorale.

Qual è il legame tra DNA mitocondriale e invecchiamento?

Il DNA mitocondriale (mtDNA) è un piccolo genoma circolare presente nei mitocondri, distinto dal DNA nucleare.
Durante il metabolismo ossidativo, i mitocondri producono ROS (specie reattive dell’ossigeno), che possono danneggiare il DNA stesso.

Il mtDNA è particolarmente vulnerabile perché:

• non è protetto da istoni (proteine che nel nucleo avvolgono il DNA),

• si trova vicino alle sorgenti di ROS,

• dispone di meno enzimi di riparazione rispetto al nucleo.

Con l’età, il mtDNA accumula mutazioni puntiformi e delezioni, che compromettono la funzione mitocondriale:

• ridotta produzione di ATP,

• aumento di ROS,

• danno ossidativo ulteriore → ciclo vizioso.

Questo contribuisce alle malattie degenerative (es. Alzheimer, Parkinson, atrofie muscolari) e al declino energetico dell’organismo.

Esperimenti su topi con mtDNA mutato mostrano:

• invecchiamento precoce,

• disturbi neurologici e motori,

• vita media ridotta rispetto ai controlli.

In che modo l’efficienza dei sistemi di riparazione del DNA influisce sulla durata della vita?

Numerosi studi hanno dimostrato una correlazione diretta tra efficienza della riparazione del DNA e longevità.
Gli organismi o le cellule che possiedono sistemi di riparo più attivi:

• tollerano meglio lo stress ossidativo,

• accumulano meno mutazioni,

• e mantengono più a lungo la funzionalità cellulare.

Esempi:

• Topi con deficit nei geni di riparazione (come XPA, legato alla NER) mostrano invecchiamento precoce.

• Al contrario, cellule umane in cui vengono potenziati geni di riparo mostrano maggiore resistenza ai carcinogeni e vita cellulare più lunga.

Queste osservazioni suggeriscono che la capacità di mantenere il genoma stabile è un determinante biologico della longevità.

Perché il DNA mitocondriale è più soggetto a mutazioni rispetto al DNA nucleare?

Il mtDNA è esposto a condizioni ambientali più ostili rispetto al DNA nel nucleo:

1. È vicinissimo alla catena respiratoria mitocondriale, dove si formano continuamente ROS durante la fosforilazione ossidativa.

2. Non è avvolto in istoni protettivi.

3. I mitocondri hanno sistemi di riparazione incompleti (limitati principalmente al BER).

Questi fattori fanno sì che il mtDNA subisca danni ossidativi più frequenti, e che le mutazioni si accumulino progressivamente con l’età, contribuendo al processo di invecchiamento cellulare e tissutale.

Quali geni del riparo del DNA influenzano la durata della vita?

Molti geni che inizialmente si pensava regolassero direttamente l’invecchiamento si sono rivelati coinvolti nella riparazione del DNA.
Esempi:

• GENI NER (es. XPA, XPC): difetti portano a xeroderma pigmentosum, con invecchiamento cutaneo precoce e predisposizione ai tumori.

• GENI BER (es. OGG1, XRCC1): coinvolti nella riparazione del danno ossidativo; la loro ridotta attività accelera il declino cellulare.

• GENI del controllo del ciclo cellulare (p53, ATM, BRCA1/2): coordinano il riconoscimento del danno e la risposta di riparazione o apoptosi.

La sovraespressione di alcuni di questi geni si associa a vita più lunga, mentre la loro inattivazione accelera invecchiamento e carcinogenesi.

Qual è la differenza tra riparazione diretta e riparazione per escissione del DNA?

La riparazione diretta è un meccanismo semplice ed efficace che rimuove il danno chimico direttamente sulla base azotata, senza tagliare il DNA e senza bisogno di uno stampo complementare.
La riparazione per escissione, invece, comporta l’asportazione del nucleotide o del gruppo di nucleotidi danneggiati, seguita dalla risintesi del tratto mancante usando il filamento opposto come stampo.

👉 Differenze principali:

Caratteristica	Riparazione diretta	Riparazione per escissione
Uso del filamento stampo	❌ No	✅ Sì
Tipo di danno	Modifiche chimiche semplici	Danni complessi o distorsivi
Esempi	MGMT, fotoliasi	BER, NER
Energia richiesta	Bassa	Alta (coinvolge enzimi multipli)

Come agisce la metilguanina metiltransferasi (MGMT)?

La MGMT (O⁶-metilguanina metiltransferasi) è un enzima che rimuove gruppi metilici erroneamente aggiunti all’atomo di ossigeno in posizione 6 della guanina.
Questa metilazione anomala può derivare da agenti alchilanti chimici e genera appaiamenti errati (es. O⁶-metilG con timina invece che con citosina).

🔬 Meccanismo:

• MGMT trasferisce il gruppo metilico dalla guanina al proprio residuo di cisteina.

• Dopo questa reazione, l’enzima diventa inattivo e viene degradato (funzione “suicida”).

• In tal modo, l’informazione genetica viene ripristinata senza necessità di sintesi di nuovo DNA.

📌 Importanza clinica:
Un’elevata espressione di MGMT protegge le cellule dai mutageni alchilanti, ma riduce anche l’efficacia di alcuni chemioterapici alchilanti (come la temozolomide nei tumori cerebrali).

Cos’è la fotoliasi e come funziona la fotoriattivazione?

La fotoliasi è un enzima presente in batteri, lieviti e alcune piante, che ripara i dimeri di timina formatisi per effetto dei raggi UV.
Il legame covalente tra due basi di timina adiacenti distorce la doppia elica e blocca la replicazione e la trascrizione.

🌞 Meccanismo:

• La fotoliasi si lega alla distorsione nel DNA.

• Usa l’energia della luce visibile (lunghezza d’onda 300–500 nm) per rompere il legame covalente tra le timine.

• La doppia elica torna alla sua forma originaria.

📌 Negli esseri umani la fotoliasi è assente, quindi i dimeri di timina vengono rimossi tramite NER (riparazione per escissione di nucleotidi).

In cosa consiste la riparazione per escissione di basi (BER)?

La BER (Base Excision Repair) corregge danni lievi e localizzati a singole basi azotate (ossidazione, deaminazione, idrolisi, alchilazione).
È il principale meccanismo contro il danno ossidativo dovuto ai ROS.

🔬 Fasi del processo:

1. Riconoscimento della base alterata → una DNA glicosilasi specifica taglia il legame N-glicosidico tra base e zucchero, creando un sito apurinico/apirimidinico (sito AP).

2. Taglio dello scheletro zucchero-fosfato → una AP endonucleasi rimuove il desossiribosio-fosfato.

3. Sintesi del nucleotide corretto → DNA polimerasi β inserisce il nucleotide mancante, usando il filamento opposto come stampo.

4. Sigillatura finale → la DNA ligasi forma il nuovo legame fosfodiesterico, ripristinando la continuità del DNA.

📌 Ruolo biologico:
Essenziale nel cervello e nei mitocondri, dove il danno ossidativo è frequente.
Difetti nella BER sono collegati a neurodegenerazione e accelerazione dell’invecchiamento.

Che cosa corregge la riparazione per escissione di nucleotidi (NER)?

La NER (Nucleotide Excision Repair) rimuove lesioni più grandi che deformano la struttura dell’elica, come:

• dimeri di timina (causati da raggi UV),

• addotti chimici voluminosi,

• rotture di un singolo filamento.

🧩 Meccanismo (nei procarioti, come E. coli):

1. Riconoscimento del danno: proteine UvrA e UvrB si legano al sito lesionato.

2. Incisione: UvrC si unisce al complesso e taglia il filamento danneggiato a monte (5’) e a valle (3’), rimuovendo un segmento di circa 30 nucleotidi.

3. Rimozione: l’elicasi UvrD stacca il frammento danneggiato.

4. Risintesi: DNA polimerasi I riempie il vuoto, usando il filamento integro come stampo.

5. Ligazione: la DNA ligasi chiude definitivamente il tratto riparato.

⏱ Tutto avviene in pochi minuti e garantisce un DNA “pulito” da distorsioni.

📌 Negli eucarioti, la NER è più complessa ma segue principi analoghi, con l’intervento di decine di proteine (tra cui XPA, XPC, TFIIH).

Cos’è la riparazione associata alla trascrizione (TCR)?

La TCR (Transcription-Coupled Repair) è una forma specializzata di NER che agisce prioritariamente sui geni attivamente trascritti.
Quando la RNA polimerasi II incontra un danno (come un dimero di timina) sul filamento stampo, si blocca.
Questo blocco stesso funge da segnale di allarme per reclutare le proteine del sistema di riparazione.

🔬 Passaggi:

1. Arresto della RNA polimerasi II sul danno.

2. Reclutamento di proteine specifiche (CSA, CSB, TFIIH).

3. Asportazione del tratto danneggiato tramite NER.

4. Ripresa della trascrizione dopo la riparazione.

📌 Patologie associate a difetti nella TCR:

• Sindrome di Cockayne (CS): ipersensibilità ai raggi UV, ritardo della crescita, degenerazione neuronale.

• Tricotiodistrofia (TTD): fragilità di pelle, capelli e unghie.
  In entrambe, la capacità di riparazione nei geni trascritti è ridotta, causando invecchiamento precoce e danni neurologici.

Cos’è lo xeroderma pigmentoso e perché è legato alla NER?

Lo xeroderma pigmentoso (XP) è una malattia genetica rara dovuta a mutazioni nei geni del complesso NER (es. XPA, XPC, XPD).
Queste mutazioni impediscono la rimozione dei dimeri di timina indotti dai raggi UV, per cui il DNA rimane danneggiato.

🧠 Manifestazioni cliniche:

• Estrema fotosensibilità (ustioni anche dopo pochi minuti di sole).

• Iperpigmentazione e lesioni cutanee precancerose.

• Incidenza elevatissima di tumori cutanei (migliaia di volte superiore al normale).

• In alcuni casi, neurodegenerazione per accumulo di danni neuronali.

Questo dimostra come l’efficienza dei sistemi di riparo del DNA sia vitale per prevenire invecchiamento e tumori.

Qual è la funzione del sistema Mismatch Repair (MMR)?

Il Mismatch Repair (MMR) corregge gli errori di appaiamento non eliminati dalla DNA polimerasi (proofreading), come:

• basi non complementari (es. G–T o A–C),

• piccole inserzioni o delezioni.

È fondamentale per mantenere la fedeltà della replicazione e per evitare mutazioni spontanee.

🔬 Nei procarioti (E. coli):

1. MutS riconosce il mismatch.

2. MutL si lega a MutS, formando un complesso stabile.

3. MutH (solo nei procarioti) riconosce il filamento neosintetizzato non metilato, lo taglia vicino all’errore e rimuove il tratto errato.

4. Esonucleasi + elicasi + DNA polimerasi III risintetizzano la sequenza corretta.

5. DNA ligasi richiude il filamento.

🧬 Negli eucarioti, esistono analoghi:

• MSH (MutS Homologue) e MLH (MutL Homologue), che svolgono funzioni equivalenti.

• Il riconoscimento del filamento nuovo avviene tramite discontinuità nei legami fosfodiesterici e presenza di nicks. (Un "nick" è un singolo taglio in un doppio filamento di DNA)

📌 Rilevanza clinica:
Difetti nel MMR sono responsabili della sindrome di Lynch (cancro del colon ereditario non poliposico) e aumentano la frequenza di mutazioni nei microsatelliti (instabilità microsatellitare).

In che modo la cellula sceglie quale sistema di riparazione attivare?

La cellula seleziona il meccanismo di riparazione in base a:

• Tipo di danno (chimico, ossidativo, UV, replicativo).

• Dimensione e localizzazione della lesione.

• Fase del ciclo cellulare (alcuni sistemi agiscono solo in S o G2).

• Condizione fisiologica della cellula (attiva, senescente o differenziata).

🧩 Ad esempio:

• Danni ossidativi → BER.

• Danni voluminosi → NER.

• Errori di appaiamento → MMR.

• Danni da UV in geni trascritti → TCR.

• Modifiche semplici → Riparazione diretta (MGMT, fotoliasi).

Questa specificità di risposta è garantita da una rete complessa di sensori e proteine regolatrici che assicurano la stabilità genomica.

Che cosa si intende per “rottura a doppio filamento del DNA” (DSB)?

Una rottura a doppio filamento si verifica quando entrambi i filamenti complementari della doppia elica di DNA vengono spezzati nello stesso punto o in punti molto vicini.
Questo tipo di danno è estremamente pericoloso, perché la cellula non può usare l’altro filamento come stampo, come avviene per le rotture a singolo filamento.

🧠 Cause principali:

• Radiazioni ionizzanti (raggi X, raggi γ)

• Agenti che generano specie reattive dell’ossigeno (ROS)

• Errori nella replicazione o ricombinazione

• Farmaci che interferiscono con la topoisomerasi II

• Collasso della forcella replicativa

📌 Se non riparate correttamente, le DSB portano a:

• Mutazioni,

• Delezioni o traslocazioni cromosomiche,

• Instabilità genomica,

• Apoptosi o cancerogenesi.

Quali sono i due principali meccanismi di riparazione delle rotture a doppio filamento?

Le cellule eucariotiche dispongono di due strategie principali:

1. Ricombinazione omologa (HR — Homologous Recombination)
   → Ripara la rottura usando una sequenza identica o quasi identica come stampo.
   È accurata e fedele, ma richiede una copia del DNA intatta, quindi è attiva solo in fase S o G2 del ciclo cellulare (dove è presente il cromatidio fratello).

2. Giunzione non omologa delle estremità (NHEJ — Non-Homologous End-Joining)
   → Ricongiunge direttamente le estremità del DNA rotto senza stampo.
   È rapida ma imprecisa, può provocare perdita di basi e quindi mutazioni.
   Predomina nelle cellule differenziate o in fase G0/G1, dove non ci sono copie di DNA disponibili.

In cosa consiste la ricombinazione omologa (HR)?

La ricombinazione omologa (HR) è un meccanismo ad alta fedeltà di riparazione delle rotture a doppio filamento, basato sull’uso di un DNA omologo (come il cromatidio fratello o il cromosoma omologo) come stampo.

🔬 Fasi principali:

1. Riconoscimento e processamento della rottura:
   Le estremità del DNA rotto vengono “ripulite” da complessi enzimatici (come MRN: Mre11–Rad50–Nbs1) che degradano il DNA in direzione 5’→3’, generando estremità a singolo filamento 3’ sporgenti.

2. Formazione di filamenti invasivi:
   Le proteine RAD51 (e la sua omologa RecA nei procarioti) si legano al tratto a singolo filamento e invadono la doppia elica omologa intatta, formando un complesso di giunzione a D-loop (displacement loop).

3. Sintesi del DNA complementare:
   Il filamento invasivo usa il DNA omologo come stampo per sintetizzare la sequenza mancante, ripristinando l’integrità del genoma.

4. Risoluzione della giunzione:
   I filamenti ricombinati vengono separati e ricollegati grazie a ligasi e topoisomerasi.
   In alcuni casi si formano strutture di Holliday, tipiche anche del crossing-over meiotico.

📌 Attività prevalente:
Durante la fase S e G2, quando il DNA è appena duplicato.

📚 Analogia biologica:
Il processo è praticamente identico al crossing-over meiotico, ma qui serve non per creare variabilità, bensì per riparare con fedeltà.

Qual è il ruolo di RAD51 nella ricombinazione omologa?

RAD51 è una proteina chiave nella HR:

• Si lega alle regioni a singolo filamento create dopo la rottura.

• Guida l’appaiamento omologo e l’invasione della doppia elica intatta.

• Stabilizza la struttura a D-loop.

RAD51 è assistita da BRCA1 e BRCA2, due geni oncosoppressori fondamentali.

📌 Rilevanza clinica:

• Mutazioni nei geni BRCA1/2 compromettono la HR, favorendo l’accumulo di DSB non riparate → instabilità genomica → tumori mammari e ovarici ereditari.

• Per questo, BRCA1/2 sono considerati guardiani della stabilità del genoma.

🔹5. Quali rischi comporta la ricombinazione omologa?

Sebbene sia un meccanismo “fedele”, la HR non è sempre priva di pericoli:

• Se la riparazione avviene usando come stampo una sequenza simile ma non identica (es. una copia genica ripetuta), può generare riarrangiamenti cromosomici come traslocazioni o duplicazioni.

• Tali eventi alterano la struttura dei cromosomi e sono alla base di molte malattie genetiche e neoplasie.

📚 Esempio:
Traslocazioni cromosomiche reciproche, come t(9;22) nel leucemia mieloide cronica (cromosoma Philadelphia), possono originare da errori di ricombinazione.

Che cos’è la giunzione non omologa delle estremità (NHEJ)?

La NHEJ (Non-Homologous End-Joining) è un meccanismo di riparazione diretta delle rotture a doppio filamento che non richiede una sequenza omologa come stampo.
È quindi il sistema principale nelle cellule in G0 e G1, come le cellule differenziate.

🔬 Fasi del processo:

1. Riconoscimento del danno:
   Le proteine Ku70/Ku80 si legano alle estremità rotte, proteggendole dalla degradazione.

2. Reclutamento del complesso catalitico:
   La proteina DNA-PKcs (DNA-dependent protein kinase catalytic subunit) si associa a Ku, formando il complesso DNA-PK, che allinea le estremità.

3. Elaborazione delle estremità:
   Enzimi nucleasici e polimerasici “ripuliscono” o riempiono le estremità per renderle compatibili.

4. Saldatura finale:
   La DNA ligasi IV, insieme a XRCC4 e XLF, unisce i due capi tramite legami fosfodiesterici.

📌 Risultato:
Riparazione rapida ma spesso mutagenica, perché:

• può eliminare o inserire alcune basi (microdelezioni o microinserzioni),

• quindi altera leggermente la sequenza originale.

In che modo la NHEJ può essere considerata “mutagenica ma utile”?

La NHEJ è mutagenica perché non usa stampo → può perdere o aggiungere nucleotidi nelle estremità giunte.
Tuttavia, è essenziale per la sopravvivenza cellulare, soprattutto:

• nelle cellule non proliferanti, dove HR non è disponibile,

• nel sistema immunitario, dove viene sfruttata intenzionalmente per generare diversità anticorpale.

📚 Esempio immunologico:
Durante la ricombinazione V(D)J nelle cellule B, gli enzimi RAG1 e RAG2 generano rotture nel DNA che vengono poi ricucite dalla NHEJ, creando combinazioni uniche di geni per anticorpi → base della diversità immunitaria.

In quali fasi del ciclo cellulare sono attivi i due sistemi HR e NHEJ?

Fase del ciclo	Sistema principale	Caratteristiche
G0 / G1	NHEJ	Rapido, mutagenico, indipendente dallo stampo
S / G2	HR	Accurato, usa il cromatidio fratello come stampo

📌 Conclusione:
Le cellule bilanciano HR e NHEJ in base alla disponibilità del DNA omologo e alle condizioni fisiologiche.
Una regolazione inefficiente può causare instabilità genomica e predisposizione ai tumori.

Qual è la relazione tra difetti nei meccanismi di riparo (HR/NHEJ) e invecchiamento cellulare?

Con l’età, l’efficienza dei sistemi di riparazione del DNA (sia HR che NHEJ) diminuisce.
Questo porta a un accumulo progressivo di DSB (rotture del doppio filamento" del DNA) non riparate, che attivano checkpoint di danno e senescenza cellulare.

🧬 Effetti biologici:

• Blocco del ciclo cellulare tramite p53 e p21.

• Diminuzione della capacità replicativa (senescenza replicativa).

• Rilascio di segnali pro-infiammatori (SASP, Senescence-Associated Secretory Phenotype).

📌 Risultato finale:
L’accumulo di danni al DNA, anche per piccole inefficienze nei meccanismi HR/NHEJ, contribuisce a:

• invecchiamento tissutale,

• perdita di funzionalità cellulare,

• maggiore rischio di tumori e malattie degenerative.

Riassunto comparativo: HR vs NHEJ

Uso di stampo

✅ Sì (sequenza omologa)

❌ No

Accuratezza

🔹 Elevata

🔸 Bassa (mutagenica)

Fase del ciclo

S / G2

G0 / G1

Proteine chiave

RAD51, BRCA1/2, MRN

Ku70/Ku80, DNA-PK, Ligasi IV

Velocità

Più lenta

Molto rapida

Rischio di riarrangiamenti

Medio (se stampo errato)

Basso ma mutagenico

Ruolo fisiologico

Riparo fedele durante replicazione

Riparo d’emergenza, ricombinazione V(D)J

Esito finale

Ripristino perfetto del DNA

DNA integro ma con possibili mutazioni