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TOSSICOLOGIA-6
GENOTOSSICITA’
JeanJeanJeanJean----FranFranFranFranççççois DESAPHY ois DESAPHY ois DESAPHY ois DESAPHY
Farmacologia e Tossicologia, 2015 Farmacologia e Tossicologia, 2015 Farmacologia e Tossicologia, 2015 Farmacologia e Tossicologia, 2015
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Genotossicità
•La genotossicità considera gli eventi che danneggiano il DNA
•Il danno genotossico può essere essenzialmente di 4 tipi:
• distruzione del DNA
• mutazioni geniche indotte da mutageni
• mutazioni cromosomiche indotte da clastogeni
• alterazioni epigenetiche (metilazione del DNA, ecc…)
•Gli agenti genotossici possono essere:
• diretti
• indiretti
•Il danno genotossico può condurre:
• alla morte cellulare (apoptosi o necrosi)
• al cancro (neoplasia)
• a difetti congeniti
• a malattie ereditarie
2008© J.F. DESAPHY
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Watson & Crick, 1953
Ossatura di zuccheri:
Catena di desossiribosio con legami fosfodiestere
DNA
guanina citosina
adenina timina
PURINE PIRIMIDINE
2008© J.F. DESAPHY
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trascrizione
traduzioneribosomi
proteine
NUCLEO
CITOSOL
membrana
plasmaticamembrana
nucleare
La sintesi proteica
Codice genetico
2008© J.F. DESAPHY
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Mutazioni geniche: meccanismi
•Sostituzione di una coppia di basi
•Modificazioni spontanee
•Incorporazione di analoghi delle basi
•Modificazione chimica
•Delezione o inserzione di una o più basi
•Modificazioni spontanee
•Agenti intercalanti
•Radiazioni UV
2008© J.F. DESAPHY
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Mutazioni puntiformi
sinonimo
non-sinonimo, missenso
nonsenso
readthrough
Mutazioni nella parte
codificante
del gene
Mutazioni nella parte
regolatrice
del gene
2011© J.F. DESAPHY
promotore
Trascrizione
non
controllata
Niente
Trascrizione
Sequenza
regolatrice
Delezione
della sequenza
regolatrice
Delezione del
promotore
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N
CH CH
O
C
H2
CH2
O
O
Transizione: sostituzione purina/purina (A/G) o pirimidina/pirimidina (C/T)
Transversione: purina/pirimidina e vv
R1448C: sostituzione di una arginina con una cisteina in posizione 1448
N
CH CH
O
C
H2
CH2
C
H2
CH2
NH2
Mutazioni missenso
2008© J.F. DESAPHY
mRNA
5’-GAG-3’
5’-AAG-3’
Proteina
acido glutammico
lisina
mutazione traduzione
funzione alterata o persa
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mutazione
errore di
replicazione
replicazione
replicazione
replicazione
Mutazioni puntiformi spontanee
Accuratezza della replicazione
selezione accurata del nucleotide da parte della DNA polimerasi
capacità di riparazione immediata della DNA polimerasi (attività esonucleasi 3’-5’)
DNA polimerasi
Lettura di verifica
L’ultimo nucleotide è appaiato correttamente
Vince la polimerasi
L’ultimo nucleotide è sbagliato
Vince l’esonucleasi
Selezione del nucleotide
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Rischio di errore su base chimica: 5-10%
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Mutazioni puntiformi indotte
nucleotide
alteratomutazione
mutazione
mutazione
replicazione
replicazione
replicazione
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2008© J.F. DESAPHY
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Mutazioni puntiformi: incorporazione di analoghi
5-bromouracile5-bromouracile
chetonico
5-bromouracile
enolicoadenina guanina
inserzione del
5-bromouracile
tautomerismo
cheto-enolico
tautomerismo inverso
mutazione
A-T G-C
Purine o pirimidine con una struttura analoga alle basi classiche
esempi
5-bromouracile: tautomerismo cheto-enolico (A>G)
Aminopurine: tautomerismo ammino-immino (T>C)
transizione
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Mutazioni puntiformi: deaminazione
Le basi C, G, A sono deaminate dall’azione di alcuni composti chimici
Esempi di sostanze in grado di “de-aminare”:
Acido nitroso sulle basi A, C, G
Sodio bisulfite sulla base C
Guanina Xantina blocca la replicazione
Adenina Ipoxantina T>C
Citosina Uracile G>A
adenina ipoxantina
HNO2
N N
O
NH2
citosina
timina
deossiribosio
N N
O
Odeossiribosio
deossiribosio
deossiribosio
A-T G-C
transizione
2008© J.F. DESAPHY
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guanina
desossiribosio
N N
NN
O
N
H
H
H
citosina
timina
desossiribosio
N N
N
N
H
H
H
O
CH3
N
O6-metilguanina
agente alchilante
G-C A-TDopo replicazione, sarà avvenuta la transizione:
Base posizione effetto
guanina N7 delezione
O6 transizione
timina O4 transizione
Adenina N3 blocco della sintesi
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Mutazioni puntiformi: alchilazione
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Mutazioni puntiformi: coniugazione
Coniugazioni con metaboliti degli idrocarburi policiclici aromatici
O O
OH
OH
OH
O
benzopirene 7,8-epossido BP7,8-diidrodiol BP
7,8 diidrodiol-9,10-epossido BP
P450P450
epossidrolasi
guanina
deossiribosio
N N
NN
O
N
H
H
H
citosina
deossiribosio
adenina
N N
N
NH
HN
O
IPA
guanina coniugata
Legame covalente
in posizione N2
G-C T-A
transversione
2008© J.F. DESAPHY
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Esempi di reattivi elettrofiliEsempi di reattivi elettrofiliEsempi di reattivi elettrofiliEsempi di reattivi elettrofili
C+ RR
H
Ioni carbonio
N+ HR
Ioni nitrenio
C°RR
R
Radicali liberi
N+N
R
Ioni diazonio
OR
R
EpossiN+ C
H2
CH2
R
R
Ioni aziridinio
amine aromatiche
acetamidi
nitrocomposti
aloalcani
nitrosocomposti
idrazine simmetriche IPA
aflatossine
alcheni
Mostarde azotate
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Frame-shift mutationsL’addizione o la rimozione di basi ha degli effetti più drastici che la
mutazione puntiforme, poiché la lettura del codice genetico viene alterato
in tutte le triplette che seguono la mutazione.
delezione di una citosina
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Frame-shift mutations: agenti intercalanti
Molecole piane che possono intercalarsi tra le coppie di basi nella doppia elica
Agente
intercalante
Esempi
Acridine: anti-batterico
Proflavina: composto sperimentale
Bromuro di etidio: composto sperimentale
distorsione dell’elica
Inserzioni e/o delezioni
Bromuro
di etidio
proflavina acridine
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Frame-shift mutations: radiazioni UV
frequenza: di dimerizzazione: T-T > CT > TC > CC
dimero ciclobutileUVB, 280-320 nm
delezioneDNA riparato
DNA alteratoblocco
della
replicazione
processi
di
riparazione
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fotoprodotto 6-4
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Cromosomi
cariotipo umano
Maschile: 44 autosomi + XY
Femminile: 44 autosomi + XX
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metafase
2 metri
Eterocromatina: zona non-trascritta
Eucromatina: geni
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Divisioni cellulari
fase G1
(2n)
fase G2
(4n)
metafase
anafase
(2n)
apparato
mitotico
cromatidi
duplicazione del
DNA
citodieresi
fase S
MitosiDivisione delle cellule somatiche
2008© J.F. DESAPHY
MeiosiDivisione delle cellule germinali
(2n)
fase G2
(4n)
profase 1
(4n)
metafase
anafase
telofase
(n)
Crossing-over
Scambi di
materiale
genetico
gameti
paterne
materne
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mutazioni cromosomiche
traslocazioni
reciproche
inserzioni
Le anomalie numeriche (mutazioni genomiche) sono dovute a anomalie
strutturali o mancata disgiunzione durante l’anafase.
Le anomalie strutturali (aberrazioni cromosomiche) sono dovute a rotture,
delezioni, scambi, e riarrangiamenti del materiale cromosomico.
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Intero
cariotipo
singolo
cromosoma
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principali
aberrazioni
cromosomiche
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Agenti Agenti clastogeniclastogeni
ABERRAZIONI STRUTTURALI
•Radiazioni ionizzanti durante la fase G1 (aberrazioni di tipo cromosomico)
durante le fase S e G2 (aberrazioni di tipo cromatidico)
•Clastogeni chimici aberrazioni cromatidiche, qualsiasi la fase
ABERRAZIONI NUMERICHE
•Aberrazioni strutturali
•Inibitori del fuso colchicina (blocca la polimerizzazione della tubulina)
vincristina, taxolo
•Agenti in grado di alterare i seguenti eventi:
•Divisione del centromero nella meiosi I
•Accoppiamento di cromosomi analoghi nella profase I
•Disgiunzione dei cromosomi nella anafase I e II2008© J.F. DESAPHY
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Classificazione delle mutazioni•In base alla tipologia:
• cromosomiche
• geniche
•In base all’origine:
• spontanee (errori di replicazione e crossing-over)
• indotte da mutageni o clastogeni
•In base alla sede:
• germinali (si verificano nei gameti e possono essere trasmesse alla prole)
• somatiche (non vengono trasmesse)
•In base all’effetto funzionale:
• letali (100 % di morti prima di raggiungere l’età riproduttivo)
• subletali (50% degli individui raggiunge l’età riproduttivo)
• condizionali (il fenotipo mutante è espresso solo in determinate condizioni)
• neutre (senza nessun effetto)
• silenti (polimorfismi)
• vantaggiose (favoriscono l’adattamento ambientale)
• svantaggiose (riducono l’adattamento ambientali o inducono patologie)
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Conseguenze del danno genetico
se avviene nelle cellule somatiche:
• morte cellulare
• mosaicismo
• oncogenesi (attivazione di proto-oncogeni e/o inibizione di oncosoppressori)
se avviene nelle cellule germinali, alterazioni del pool genico:
• aborti spontanei
• difetti congeniti
• malattie cromosomiche (sindrome di Down: trisomia 21)
• malattie mendeliane (mutazioni in un singolo gene)
• autosomiche (beta talassemia)
• legate all’X (distrofia di Duchenne)
• malattie non-mendeliane (espansione di sequenze nucleotidiche)
(distrofia miotonica)
• malattie mitocondriali (encefalomiopatia mitocondriale)
• malattie multifattoriali (diabete tipo 2, ipertensione, ecc...)
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Cellula normale Cellula iniziativa
attivazione proto-oncogeni
inattivazione oncosoppressori
INIZIAZIONE
Lesione preneoplasticaespansione
clonale
selettiva
PROMOZIONE
Tumore clinicamente rilevabilemetastasi
Tumore maligno
PROGRESSIONE
INQUINANTI CHIMICI
AGENTI INFETTIVI
IRRADIAZIONI
MUTAZIONI EREDITATE
ONCOGENESI
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Fattori che influiscono sul danno genetico
•Concentrazione dell’agente tossico nell’ambiente
•Ingresso e distribuzione nell’organismo
•Capacità metabolizzante dei tessuti a contatto
•attivazione metabolica
•detossificazione
•Reattività dell’agente tossico o suoi metaboliti col DNA
•Capacità della cellula di riparare il danno
•Opportunità di espressione del danno
•Capacità di riparazione del danno (sistemi di riparazione del DNA)
•Abilità del tessuto di riconoscere e distruggere le cellule mutanti
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FINE