GENOTOSSICOLOGIA

Tratta degli effetti mutageni degli agenti chimici e delle radiazioni e della conseguenza per la salute umana dell’esposizione a mutageni.

Include i danni al DNA e le alterazioni genetiche che variano da cambiamenti in una o poche coppie di basi (mutazioni del gene) a grandi cambiamenti nella struttura (aberrazioni cromosomiche) o nel numero (aneuploidie e poliploidie) dei cromosomi.

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Ogni agente che causa mutazioni è un mutageno.

Clastogeni sono quelli che causano aberrazioni cromosomiche.

Aneugeni sono quelli che causano aneuploidia o poliploidia.

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1. L’incremento della quantità di mutazioni nelle cellule germinali umane (uova, sperma e loro precursori) può causare una aumentata incidenza di malattie genetiche nelle generazioni future;

2. Mutazioni nelle cellule somatiche possono contribuire a varie malattie, tra cui il cancro, nei soggetti esposti.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Mutazioni geniche

La mutazione genica è un cambiamento in un gene nella sequenza del DNA. Sono anche chiamate mutazioni puntiformi perché sono ristrette ad un particolare sito.

Sono tipicamente rilevabili sulla base dei cambiamenti che causano nel fenotipo.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Mutazioni geniche

Possono avvenire per:

1. Sostituzione di coppie di basi

2. Per scivolamento di lettura

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Mutazioni geniche

Nella sostituzione di coppie di basi, una coppia (e.g. G:C) viene sostituita da un’altra (e.g. A:T).

Si chiama transizione se l’orientamento delle coppie di basi rimane lo stesso (e.g. una purina è sostituita da un’altra purina);

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Mutazioni geniche

si chiama transversione quando una purina è sostituita da una pirimidina e viceversa.

purine guanina e adenina

pirimidine timina e citosina

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Mutazioni geniche

Le conseguenze sono dipendenti dal risultano in una sintesi proteica errata o senza senso.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Mutazioni geniche

In una mutazione errata vi è un cambiamento nella codifica nella quale un aminoacido ne sostituisce un altro.

La mutazione può inattivare il gene, avere soltanto lievi effetti o essere virtualmente senza effetti.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Mutazioni geniche

In una mutazione senza senso, il prodotto è incompleto e non funzionale a causa della prematura interruzione della sintesi proteica.

Una mutazione può anche prevenire la formazione di un prodotto genico funzionale prevenendo la trascrizione o il normale congiungimento con l’RNA.

GENOTOSSICOLOGIASPECIE DI DANNI GENETICI

Mutazioni geniche

Mutazioni che alterano la lettura del codice genetico durante la traslocazione dell’RNA nella proteina sono chiamate a scivolamento di lettura.

Coinvolge l’inserimento o la perdita di due coppie di basi in un gene.

Il prodotto genico è grossolanamente alterato poiché ogni tripletta è cambiata nell’mRNA dopo il punto della mutazione.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Mutazioni geniche

Il prodotto genico può anche essere incompleto poiché la nuova sequenza di lettura include un codone senza senso (UAA, UAG o UGA). Porta ad un prodotto genico non funzionale.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Mutazioni geniche

E’ stato individuato un terzo tipo di mutazione chiamato “ripetizione della tripletta”.

E’ amplificato un particolare trinucleotide (e.g. CTG/CTG/CTG/CTG). Sono coinvolte in numerose malattie genetiche quali la distrofia miotonica, la malattia di Huntington e la sindrome dell’X fragile.

SINDROME DELL’X FRAGILE

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Aberrazioni cromosomiche

Sono dovute a cambiamenti nella struttura dei cromosomi. Comprendono rotture e vari riarrangiamenti.

Quelle che coinvolgono un solo cromatide sono dette aberrazioni cromatidiche, quelle che li coinvolgono entrambi sono dette aberrazioni cromosomiche.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Aberrazioni cromosomiche

Le radiazioni ionizzanti causano aberrazioni cromosomiche quando le cellule vengono irradiate prima della replicazione del DNA, aberrazioni cromatidiche quando vengono irradiate dopo.

Al contrario, la maggior parte dei clastogeni causano aberrazioni cromatidiche poichè colpiscono dopo la replicazione.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Aberrazioni cromosomiche

Alcune aberrazioni sono stabili e possono essere trasmesse attraverso ripetute divisioni cellulari e possono persistere nella popolazione cellulare.

Delezioni, duplicazioni, inversioni e traslocazioni bilanciate sono riarrangiamenti cromosomici che possono essere trasmessi.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Aberrazioni cromosomiche

Oltre a aberrazioni stabili, le rotture cromosomiche danno origine a frammenti acentrici (pezzi rotti senza centromero), cromosomi dicentrici, cromosomi ad anello e altri riarrangiamenti asimmetrici che sono instabili e causano morte cellulare.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Aneuploidia e poliploidia

Cellule aneuploidi o poliploidi hanno un numero di cromosomi diverso da quello normale per la specie.

L’aneuploidia è un aumento o una perdita di uno o pochi cromosomi, mentre la poliploidia coinvolge set completi di cromosomi.

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SPECIE DI DANNI GENETICI

Aneuploidia e poliploidia

Il normale numero diploide (2n) di cromosomi è 46; quello di cellule o individui con 45 o 47 cromosomi può essere descritto come aneuploide, con 69 come poliploide, in questo caso come triploide (3n).

Aneuploidia con perdita di un cromosoma è detta monosomica, quella con un cromosoma in più è detta trisomica.

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MUTAZIONI E SALUTE

Mutazioni in cellule germinali

1,3% di neonati soffre di disordini genetici.

autosomici dominanti 1%

autosomici recessivi 0,25%

legati al sesso 0,05%

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MUTAZIONI E SALUTE

Mutazioni in cellule germinali

Circa la metà di queste sono mutazioni per sostituzione di coppie di basi.

Delle rimanenti, molte sono delezioni.

Tra le sostituzioni di coppie di basi, sono prevalenti transizioni al sito di nucleotidi adiacenti C e G (1/3 del totale).

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MUTAZIONI E SALUTE

Mutazioni in cellule germinali

La nuova mutazione dominante è quindi espressa nella 1a generazione.

Dal 3 al 6% dei bambini è affetto da anomalie congenite. Se si aggiungono patologie a comparsa tardiva (cardiopatie, ipertensione, diabete) la proporzione di popolazione affetta supera il 60%.

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MUTAZIONI E SALUTE

Mutazioni in cellule germinali

Le aberrazioni cromosomiche causano morte fetale o gravi anomalie.

L’aneuploidia causa anch’essa morte fetale o anomalie quali la sindrome di Down.

Circa lo 0,4% dei bambini ha una sindrome associata a anomalie cromosomiche. La maggioranza di questi (85%) presenta trisomie.

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MUTAZIONI E SALUTE

Mutazioni in cellule somatiche

L’instabilità cromosomica e la carenza nella riparazione del DNA sono associati ad un aumentato rischio di cancro.

Gli oncogeni sono geni che stimolano la trasformazione di cellule normali a cellule neoplastiche.

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MUTAZIONI E SALUTE

Mutazioni in cellule somatiche

Hanno origine quando geni chiamati proto-oncogeni, che sono coinvolti nella normale crescita e sviluppo cellulare, sono geneticamente alterati.

La regolazione della proliferazione cellulare richiede un bilanciamento tra promozione e inibizione della crescita cellulare.

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MUTAZIONI E SALUTE

Mutazioni in cellule somatiche

La mutazione di proto-oncogeni può portare alla sovraespressione della loro attività stimolando la crescita, mentre mutazioni che inattivano i geni soppressori dei tumori, che normalmente riducono la proliferazione cellulare, liberano la cellula dalla loro influenza inibitoria.

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MUTAZIONI E SALUTE

Mutazioni in cellule somatiche

L’azione degli oncogeni è geneticamente dominante.

I proto-oncogeni possono essere convertiti in oncogeni attivi da mutazioni puntiformi o da alterazioni cromosomiche. Tra queste, sono prevalenti le traslocazioni, oltre alle mutazioni per sostituzione di coppie di basi.

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MUTAZIONI E SALUTE

Mutazioni in cellule somatiche

Il linfoma di Burkitt, ad esempio, coinvolge una traslocazione tra il braccio lungo del cromosoma 8, che è la sede dell’oncogene c-MYC e il cromosoma 14 (90% dei casi), 22 e 2.

Diversamente dagli oncogeni, gli alleli che causano il cancro derivanti da geni soppressori dei tumori sono tipicamente recessivi.

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MUTAZIONI E SALUTE

Mutazioni in cellule somatiche

L’inattivazione di geni soppressori dei tumori è stata associata con varie forme di cancro, incluse quelle a carico dell’occhio, del rene, del colon, del cervello, della mammella, del polmone e della vescica.

Alcuni tipi di cancro coinvolgono sia l’attivazione di oncogeni, sia l’inattivazione di geni soppressori dei tumori.

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MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA

Mutazioni che causano alterazioni del DNA

La mutagenesi è una alterazione chimica o fisica nella struttura del DNA.

In genere, mutazioni puntiformi si correlano bene con la formazione di O6-alchilguanina (misaccoppiamento con la timina), mentre le aberrazioni cromosomiche si correlano meglio con l’alchilazione dei siti azotati.

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MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA

Riparazione del DNA

1. Diretta, nella quale la reazione che causa danno al DNA è annullata;

2. Taglio, nella quale le basi danneggiate o scorrette sono rimosse o riparate.

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MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA

Riparazione del DNA

Esempi di riparazione diretta sono fotoriparazionedopo esposizione a radiazioni UV, la rimozione di addotti delle basi, l’inserzione di purine nel sito della base persa e la chiusura di un singolo filamento da parte della DNA-ligasi.

Esempi della seconda sono il taglio del nucleotide (più comune) o il taglio della base.

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MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA

Riparazione del DNA

La riparazione non protegge completamente dagli effetti mutageni poiché i processi possono essere saturati o possono riparare in maniera non efficiente alcuni tipi di danno.

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MUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA

Induzione di aneuploidia o poliploidia

Cellule aneuploidi possono generare da cellule normali per non disgiunzione, cioè l’appropriata separazione di cromosomi omologhi nella meiosi I o di cromatidi fratelli nella meiosi II o mitosi.

Il risultato è che un polo del fuso riceve entrambi gli omologhi o i cromatidi e l’altro ne è privo.

GENOTOSSICOLOGIAMUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA

Induzione di aneuploidia o poliploidia

Assumendo il coinvolgimento di un solo cromosoma (o pochi), i nuclei fratelli avranno un cromosoma in più o in meno.

La poliploidia coinvolge un intero set di cromosomi. Il numero di cromosomi può essere doppio se i cromosomi si duplicano normalmente nell’interfase, ma i cromatidi non si separano nella seguente divisione mitotica. Una cellula diploide diventa quindi tetraploide.

GENOTOSSICOLOGIAMUTAZIONI E RIPARAZIONE DEL DNA

Effetti ricombinanti

La ricombinazione genetica tra sequenze omologhe di DNA è parte normale della meiosi ed è fondamentale nelle variazioni genetiche delle popolazioni.

Può anche avvenire (meno frequentemente) durante la mitosi.

Numerosi mutageni e cancerogeni aumentano la frequenza delle ricombinazioni mitotiche. Alcuni agenti sono noti come ricombinanti. I loro effetti causano reciproche e non reciproche ricombinazioni mitotiche.

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REAZIONI STRUTTURA-ATTIVITA’

Molti mutageni e cancerogeni contengono gruppi sostituenti che possono servire come “allarmistrutturali”.

Di seguito sono riportate le strutture che possono essere coinvolte in effetti mutageni e/o cancerogeni:

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esteri alchilici dell’acido fosforico e sulfonico nitro-gruppi alifatici o aromatici

azo-gruppi aromatici anelli aromatici N-ossidati

gruppi aromatici alchil o dialchilaminici alchilidrazine

alchilaldeidi N-metilol-derivati

monoaloalcheni mostarde azotate e solforate

N-cloroamine propiolattoni

propiosultoni aziridine alifatiche e aromatiche

sostituti alchilalidici aromatici e alifatici carbamati

N-nitrosamine alchilate amine aromatiche

N-idrossi e esteri derivati di amine aromatiche epossidi alifatici

ossidi aromatici