MUTAZIONI CROMOSOMICHE DEL GENOMA Cambiamenti nel numero cromosomico

MUTAZIONI CROMOSOMICHE DEL GENOMA

Cambiamenti nel numero cromosomico rispetto al numero di cromosomi caratteristico della specie, presenti in nelle cellule dell’organismo: 2 n= numero cromosomico di cellule diploidi (nell’uomo; cellule somatiche e goniali); n= numero cromosomico di cellule aploidi/monoploidi (nell’uomo: gametociti e gameti). Alterazione del numero: • di singoli cromosomi: MUTAZIONI ANEUPLOIDI • di interi assetti cromosomici: MUTAZIONI EUPLOIDI

MUTAZIONI CROMOSOMICHE DEL GENOMA PLOIDIA numero di assetti cromosomici completi (set) -caratteristico del cariotipo di una determinata specie- presente in cellule di un tessuto; in genere viene simbolicamente espresso dalla lettera n, ma può essere indicato anche da X. 1 solo assetto: ü Condizione APLOIDE (n): è presente 1 solo rappresentante di ciascuna coppia di cromosomi omologhi del cariotipo. Questa è la condizione caratteristica dei gameti; è tuttavia noto che i vegetali e molte specie animali svolgono una fase del loro ciclo vitale in condizione aploide (1). 1) Nel ciclo vitale delle piante si alternano una fase gametofitica (aploide) e una sporofitica (diploide) = alternanza di generazioni. Rari esempi tra gli animali, in natura, tra cui i maschi delle api, vespe e formiche: questi si sviluppano da uova non fecondate, cioè per partenogenesi; in questi individui le meiosi non possono aver luogo e i gameti sono prodotti per mitosi.

üCondizione MONOPLOIDE (X): Il numero cromosomico aploide (n) di una specie può essere il risultato di duplicazioni di un singolo assetto ancestrale con numero cromosomico inferiore, chiamato numero monoploide (x). Questo termine è infatti usato per indicare il numero ‘base’ di cromosomi in alcune specie il cui cariotipo deriva dalla fusione di 2 (o più) assetti cromosomici di specie con uguale n° cromosomico. Esempio: il frumento. Il suo cariotipo è dato dalla fusione di tre cariotipi “ancestrali”, in cui ciascun singolo assetto conteneva 7 cromosomi. Quindi in questa specie : 2 n=42; n=21; X=7, ed il corredo cromosomico è esaploide (7 x 3 x 2). Le cellule somatiche sarebbero quindi esaploidi, con sei ‘x ‘ assetti (21 coppie di cromosomi): 2 n = 6 x = 42. I gameti sono sia aploidi (n) che triploidi, poiché presentano tre serie di cromosomi (3 x). 2 assetti: Condizione DIPLOIDE (2 n): la condizione caratteristica nei mammiferi. 3 assetti: Condizione TRIPLOIDE (3 n): frequente nelle piante, ma rara tra gli animali; determina sterilità. 4 assetti: Condizione TETRAPLOIDE (4 n): frequente e compatibile con la meiosi nelle piante, rara tra gli animali.

MUTAZIONI EUPLOIDI 1) MONOPLOIDIA / APLOIDIA Negli animali: condizione incompatibile con la vita (maggior parte delle specie). Nelle piante: compatibile con la vita: coltivando in vitro cellule della fase gametofitica (granulo pollinico) si possono ottenere piantine aploidi; poi attraverso trattamenti con colchicina si induce poliploidizzazione, diventando diploidi omozigoti per l’intero assetto (‘linee pure’). In questo modo la meiosi può compiersi e formare gameti normali: si producono così piante stabili (fertili). 2) POLIPLOIDIA- in natura organismi poliploidi sono frequenti solo tra le piante, rarissimi tra gli animali; tra questi si osservano anfibi, rettili, alcuni pesci. La condizione poliploide può originare da anomalie nella gametogenesi o nel processo di fecondazione: A) ciclo meiosi / fecondazione - Meiosi abortive: producono gameti 2 n: se fecondano gameti aploidi = 2 n+n=3 n: zigoti triploidi - Fecondazione multipla: 2 gameti aploidi fecondano 1 gamete aploide: n+n+n=3 n: zigote triploide (polispermia). Organismi poliploidi

oppure nell’individuo (cellule / tessuti): B) in cellule somatiche - Mitosi abortive. Ploidia finale = 2 n (k+1), dove k = n° di mitosi saltate -Fusione cellulare. Grado di ploidia risultante = somma delle ploidie delle cellule fuse. Tessuti poliploidi Anche in condizioni non patologiche di organismi diploidi, uomo compreso, molte cellule somatiche sono poliploidi, generalmente originate per endoreduplicazione (duplicazione senza mitosi) o per fusione cellulare.

POLIPLOIDIA 1) AUTOPOLIPLOIDIA: origina da cellule della stessa specie. (frequente tra le piante. Pochi gli animali: platelminti; alcuni crostacei, anfibi; rettili; pesci). • TRIPLOIDIE: in natura si formano per fusione di gameti 2 n+n; artificialmente per incroci tra 1 tetraploide (4 n: gameti =2 n) con un diploide (gameti=n). Sono sempre STERILI perché in meiosi i 3 omologhi per ciascun cromosoma dell’assetto si appaiano formando 1 trivalente oppure 1 bivalente + 1 univalente. In anafase 2 omolo migrano verso 1 polo e 1 verso l’altro. (Nelle piante si possono produrre frutti senza semi: sono triploidi) La segregazione del trivalente (o bivalente + univalente) è sempre sbilanciata (2: 1). Il 100% dei prodotti meiotici non sono vitali perchè fortemente sbilanciati.

• TETRAPLOIDIE: in natura si formano per salto di 1 o + mitosi (abortive); sperimentalmente con uso di colchicina. Compatibili nelle piante (più forti e grandi). A livello germinale (meiosi) le mutazioni eupoliploidi per numeri pari di assetti (4 n, 6 n, etc. ) possono formare 2 (o più) bivalenti, segregando regolarmente; pertanto queste NON sempre sono STERILI. Anche a livello somatico le poliploidie di n pari (2 n, 4 n etc. ) sono più tollerate, rispetto a quelle dispari. Queste condizioni sono anche chiamate POLIPLOIDIE COSTITUZIONALI (rare): si possono osservare ad esempio in cellule del fegato o di tessuti di rigenerazione, che sono tetraploidi a causa della endoreduplicazione; nei megacariociti (precursori delle piastrine), cellule del midollo osseo con nuclei molto grandi: 8 -16 volte il numero aploide di cromosomi.

POLIPLOIDIA: 2) ALLOPOLIPLOIDIA: origina dalla fusione di cellule di 2 SPECIE DIVERSE, ma AFFINI. Gli allopoliploidi contengono corredi cromosomici parzialmente omologhi, detti omeologhi. L’assetto cromosomico di un allodiploide è dato da 2 n 1 + 2 n 2 che indicano gli assetti diploidi delle 2 specie di provenienza. Un ibrido tra due specie è sterile: il suo corredo cromosomico, n 1 + n 2, non può dare gameti vitali (in meiosi si formano solo univalenti). Ma se si raddoppia il n° cromosomico (ad es. per il salto di 1 mitosi) il nuovo assetto => 2 n 1 + 2 n 2 detto ANFIDIPLOIDE (cioè “doppio diploide”). Se l’intero organismo ha un assetto anfidiploide questo può formare gameti normalmente, ed è quindi potenzialmente fertile. Esempio: incrocio tra ravanello e cavolo

Mixoploidia si riferisce alla presenza di due linee cellulari, una diploide e una poliploide. Anche se la poliploidia nell'uomo non è vitale, condizioni di mixoploidia sono state trovate in adulti e bambini. Ci sono due tipi di mixoploidia: diploide-triploide, in cui alcune cellule hanno 46 cromosomi e alcune 69, e diploide-tetraploide, in cui alcune cellule hanno 46 e alcune hanno 92 cromosomi.

ANEUPLOIDIE Sempre legate ad eventi mutazionali. Consistono in variazioni non-euploidi del n° cromosomico, cioè nell’aumento o nella diminuzione del numero di cromosomi presenti nel corredo normale (2 n o n), di un numero di cromosomi che sia diverso da un assetto completo. Ad esempio, l’assetto diploide 2 n (o quello aploide n) può essere aumentato (o diminuito) per un n° di cromosomi variabile, compreso tra 1 e n-1. Le aneuploidie provocano generalmente gravi sbilanciamenti del genoma e sono quasi tutte incompatibili nell’uomo e negli animali in generale Le più tollerate sono le trisomie. Possono essere compatibili con la vita nelle piante. nei gameti (aploidi) In cellule diploidi (sia somatiche germinali) NULLISOMIA n-1 DISOMIA n+1 MONOSOMIA 2 n-1 TRISOMIA n+1 In Datura stramonium, sono noti i fenotipi di tutte le trisomie possibili (n=12).

L’insorgenza delle aneuploidie è causata da ERRORI NEL PROCESSO DI SEGREGAZIONE (IN MITOSI E IN MEIOSI). Tra questi i proncipali sono: EVENTI DI NON DISGIUNZIONE E DI PERDITA CROMOSOMICA o CROMATIDICA La non disgiunzione può essere dovuta principalmente a: • mal funzionamento delle fibre del fuso in mitosi (o in meiosi), sia spontaneo che indotto da colchicina (o altri veleni del fuso); • alterazioni strutturali/funzionali dei cinetocori. Non disgiunzione Somatica: cellula 2 n 2 n-1 2 n+1 cellula monosomica cellula trisomica

Non disgiunzione somatica: a) fecondazione; b) 1 a divisione dello zigote con evento di nondisgiunzione; c) Primi 2 nuclei figli con mutazione aneuploide “complementare”: 2 n+1 (XY) e 2 n-1 (X); d) Formazione della blastula a “mosaico”: 2 settori adiacenti con le 2 mutazioni aneuploidi: 2 n+1 e 2 n-1.

Non disgiunzione Germinale (Meiosi) se in MI: cellula 2 n n+1 M 1 M 2 n+1 n-1 50% n-1 Tutti i gameti (100%) aneuploidi: 50% n-1 e 50% n+1 (eerozigoti per A/a) n se in MII: cellula 2 n n+1 M 1 n-1 50% M 2 n n 50% dei gameti normali (n) e 50% aneuploidi: 25% n-1 e 25% n+1(A/A)

CONSEGUENZE (ereditarietà) Se un gamete nullisomico (n-1) feconda 1 gamete normale n, l’individuo sarà monosomico (2 n-1), con la mutazione “nullisomia” in eterozigosi(*) (genotipo: n/n -1): i suoi gameti saranno 50% n + 50% n-1. Meiosi di una cellula monosomica: segregazione come per caratteri in eterozigosi: 2 gameti selvatici (n) + 2 gameti mutanti (n-1) (50%). (*) Lo stesso vale per qualsiasi mutazione aneuploide. Individui trisomici: sono eterozigoti per la condizione n/n+1 Meiosi di una cellula trisomica (eterozigote A/a/a). Sono possibili 3 diverse modalità di segregazione, equiprobabili: A/a : a/a = 2 : 1

PATOLOGIE UMANE con ANOMALIE CROMOSOMICHE: errori meiotici, rari i casi di ereditarietà Individui trisomici- cromosomi coinvolti: 21, 18, 13, X, Y (XXX, XXY, XYY). Individui monosomici: X 0. Traslocazioni Robersoniane: traslocazioni tra cromosomi acrocentrici, che nell’uomo portano il “satellite” (regione NOR) sul braccio corto. Le rotture sono a livello del centromero Alcune patologie umane sono dovute a traslocazioni Robertsoniane (Rb): tra le più note alcune forme di sindrome di Down in cui si determina la duplicazione del cromosoma 21, come nelle traslocazioni Rb: t (14 q-21 q); t (13 q-21 q).

il portatore “sano” (eterozigote per la traslocazione) può formare diversi gameti: 1) sono presenti il normale 21 e il cromosoma traslocato 14 -21; è assente il 14 (n= 23, X o Y: -14 + t(14 q 21 q): duplicazione 21 q (vitale); 2) è presente il cromosoma traslocato 14 -21 e assenti i normali 14 e 21 (n= 22, X o Y: -14, -21 + t(14 q 21 q) (bilanciato e vitale); 3) è presente il normale assetto aploide ‘parentale’ (n=23, X o Y); 4) è assente il 21 (n= 22, X o Y: -21), non vitale (nullisomia # 21); 5) sono presenti il normale 14 e il traslocato 14 -21; assente il 21 (n= 23, X o Y: -21 + t(14 q 21 q). Questo gamete porta una duplicazione del 14 q, non vitale; 6) è assente il 14 (n = 22, X o Y: -14), non vitale (nullisomia # 14). 1 [5 e 6 non mostrati] 2 3 4

Cariotipo ricombinante, BILANCIATO (2 copie del #21) Cariotipo ricombinante, SBILANCIATO (3 copie del #21)

Traslocazione Robertsoniana tra: #13 e #14 [45, XX, t (13; 14)]

TRA I NATI VIVI: No poliploidie; Totale incompatibilità con No monosomie lo sviluppo (unica eccezione: embrionale/vita X 0) e aneuplodie minus varianti; Compatibili le trisomie per X e Y; Tra gli autosomi Aneuploidie plus compatibile solo la varianti: solo trisomia 21; trisomie; incompatibili tutte le altre trisomie, solo poche: 18 e 13; Aberrazioni cromosomiche (stabili): inversioni e traslocazioni. Compatibili le aberrazioni bilanciate; pochissime le sbilanciate. (52%) TRA GLI ABORTI SPONTANEI: 93% numeriche di cui: 23% poliploidie 18% monosomie: solo X 0 52% trisomie

… più in dettaglio: