Vol. 2° -  XX.7.

anatomia delle mutazioni

La comparsa di nuovi alleli a partire da un gene preesistente è stata osservata in molti organismi, e la prima manifestazione di un allele mutante può passare facilmente inosservata. I cambiamenti possono essere spontanei, cioè senza esposizione ad agenti mutageni, oppure possono essere indotti ricorrendo all’esposizione ai mutageni stessi.

7.1. Mutazioni puntiformi

Le cause delle mutazioni vanno ricercate a livello molecolare o submolecolare. I geni replicano se stessi separando i due filamenti che li compongono e scegliendo, per ogni nucleotide della sequenza di ciascun filamento, il nucleotide complementare. Così, nella replicazione di una coppia AT, A si lega con un nuovo T e T con un nuovo A, formando due coppie AT identiche. Questo processo funziona per lo più con precisione, ma in rari casi A potrebbe attrarre un nucleotide C invece che T, formando una combinazione AC.

In occasione della replicazione successiva, A e C si separano, e mentre A riprende il suo modo di appaiamento complementare con T, C si appaia nella maniera usuale con G. In questa maniera, un gene con una nuova coppia GC prenderà permanentemente il posto del gene che originariamente presentava la coppia AT. In questo caso la mutazione deriva da un errore di replicazione.

Altri tipi di errore durante replicazione possono determinare l’inserzione o la delezione di coppie di nucleotidi. Questa mutazione, detta mutazione puntiforme [1] , può verificarsi in geni che non stanno replicando, come i geni degli spermatozoi, delle spore batteriche e, presumibilmente, degli oociti prima delle divisioni meiotiche, oppure a carico dei geni durante quelle fasi di un normale ciclo cellulare in cui non si verifica replicazione, cioè le fasi G1 e G2 dell’interfase.

Alcuni geni non in replicazione possono essere modificati chimicamente da numerose sostanze e diventare così alleli mutanti senza dover subire cambiamenti ulteriori. Altri geni possono anche reagire ai mutageni durante lo stadio di non replicazione. Tuttavia, una condizione di piena mutazione non può essere raggiunta fino al momento della replicazione.

Per la maggior parte delle mutazioni indagate attraverso lo studio della struttura del polipeptide codificato da un dato gene mutante, il cambiamento della nuova struttura proteica rispetto al prodotto codificato dal gene di partenza consiste nella sostituzione di un singolo aminoacido da parte di un altro aminoacido, e ciò rappresenta una mutazione di senso, cioè con cambiamento di significato. Per di più, la sostituzione di un solo aminoacido è solitamente dovuta alla sostituzione di una singola coppia delle tre coppie di nucleotidi che formano una tripletta del codice del DNA. Due mutanti del gene dell’emoglobina, Hb^S e Hb^C, possono avere origine da un cambiamento della sesta tripletta del gene normale Hb^A, cambiamento che si realizza attraverso la sostituzione di una delle tre coppie di basi.

Comunque, tra le mutazioni dell’emoglobina umana si riscontrano alcune reali eccezioni al tipo prevalente di cambiamento, che è quello a carico di un singolo aminoacido. Due di queste eccezioni sono le varietà dell’emoglobina Lepore, recanti una sequenza di aminoacidi che inizia in maniera simile a quella di una catena d normale e termina con una sequenza simile a quella di una catena b normale. Nella forma Lepore-Boston la lunghezza del segmento d eccede di molto la lunghezza del segmento b, mentre nella forma Lepore-Hollandia si verifica il contrario.

Tra i prodotti dovuti agli alleli per le aptoglobine [2] , alcuni differiscono solamente per la sostituzione di un aminoacido. L’allele Hp² differisce dagli altri alleli del locus Hp perché è lungo circa il doppio. Smithies ha postulato che la formazione dell’allele Hp² sia il risultato di un evento singolo, un incidente nel quale un gene ancestrale Hp, di lunghezza normale, è andato incontro a crossingover con l’allele del cromosoma omologo, ma in un sito non omologo.

Il risultato sarebbe una duplicazione parziale in tandem dell’allele originale Hp, con la nascita dell’allele Hp². Nelle generazioni successive possono scaturire individui omozigoti per Hp² e nei gameti di questi individui i due alleli Hp2 avrebbero una tendenza ad appaiarsi in due modi differenti: in maniera uguale, per cui la metà sinistra del gene duplicato di un cromosoma si accoppia con la metà sinistra dello stesso gene dell’altro cromosoma (lo stesso avviene per le due metà di destra tra di loro), oppure in maniera ineguale, in modo tale che la metà di sinistra del gene di un cromosoma si appaia con la metà destra dello stesso gene presente sull’altro cromosoma.

Entrambi i tipi di appaiamento avverrebbero fra segmenti omologhi, ma nel primo caso il crossingover all’interno dei segmenti appaiati avrebbe come risultato alleli inalterati, mentre nel secondo caso dovrebbe generarsi un gene quasi triplicato e un altro allele ritornato alla lunghezza di un singolo gene. In realtà, un allele raro di Hp, Hp^2J, di forma triplicata, è stato trovato in parecchie popolazioni umane tra loro diverse.

L’esatta conoscenza della struttura del gene della tirosinasi ha permesso di determinare quali sono le modificazioni della sequenza aminoacidica responsabili dell’albinismo del topo. Si tratta di una mutazione puntiforme nella regione codificante che dà luogo alla sostituzione di una molecola di cisteina da parte di una di serina nel primo dominio ricco di cisteina della molecola della tirosinasi. Questa singola modificazione a carico della struttura proteica causa la virtuale perdita quantitativa dell’attività catalitica che si traduce nella mancata sintesi melanica.

Soprattutto nei microrganismi sono stati studiati ulteriori tipi di mutazioni geniche. Si tratta di inserzioni di coppie di nucleotidi nella sequenza originaria, oppure di delezioni di queste coppie. Queste inserzioni e queste delezioni possono riguardare una singola coppia o più di una coppia di nucleotidi.

Se il numero delle coppie inserite o perse è pari a 3 oppure a un multiplo di 3, allora, dato che il codice genetico è scritto in triplette, l’inserzione o la delezione di queste coppie determinerà la produzione di catene di aminoacidi che differiscono dalla catena di partenza per l’inserzione o la delezione di uno o più aminoacidi.

Se il numero delle coppie di nucleotidi inseriti o persi non è divisibile per 3, ne risulterà di solito uno slittamento del modulo di lettura o scivolamento di fase o frame-shift, che produrrà di solito un polipeptide fortemente alterato, privo di senso, non funzionante, cioè nonsense. Vi sono motivi per credere che tutte queste differenti mutazioni si verificano tanto nei microrganismi che in altri esseri viventi.

Nell’uomo, il problema se le mutazioni si verificano mentre il gene sta replicando o quando non è in replicazione, è stato affrontato paragonando il tasso di mutazione dei maschi e delle femmine in relazione all’età. La produzione di spermi maturi è preceduta, lungo tutto l’arco della vita adulta, da un gran numero di divisioni delle cellule germinali primarie, gli spermatogoni, mentre la produzione di uova mature si limita alla crescita di cellule che non si dividono, gli oociti, i quali vengono a collocarsi nell’ovaio durante la vita fetale. Se le mutazioni si verificassero solamente o principalmente durante la replicazione dei geni, la loro frequenza dovrebbe aumentare con l’età dell’individuo negli spermi, ma non nelle uova.

Un modo per saggiare questa possibilità consiste nel determinare l’età dei padri e delle madri di bambini i quali presentano mutazioni appena avvenute. Se l’aumento dell’età del padre determina un maggior numero di mutazioni rispetto all’aumento dell’età della madre, allora la differenza tra l’età dei genitori dovrebbe essere più consistente in genitori di bambini con nuove mutazioni, piuttosto che in un gruppo di controllo, costituito da genitori i quali non hanno figli con nuove mutazioni.

In base ai dati di Penrose e Vogel nel caso dell’aniridia, e di un certo numero di altri caratteri mutanti, non è stato trovato alcun aumento significativo del divario tra l’età dei genitori, ma è stato notato l’indizio di un aumento significativo per l’emofilia e un incremento ben netto per l’acondroplasia. Alcuni di questi risultati sono compatibili con l’ipotesi che, all’origine delle mutazioni spontanee, siano presenti errori nella replicazione dei geni. Tuttavia, è almeno altrettanto probabile che la differenza dei tassi di mutazione di alcuni geni sia dovuta alle grandi difformità fisiologiche che esistono tra spermatogoni ed oociti.