Patologie da mutazioni dinamiche

Patologie da mutazioni dinamiche
Mutazioni dinamiche
mutazioni progressive, nei tessuti e nelle generazioni, di ripetizioni instabili
Alleli normali
Pre-mutazioni
Mutazioni
Le alterazioni fenotipiche (patologia) si manifestano al di là di un valore soglia
DNA ripetuto stabile ad ogni replicazione e tra generazioni
Perché allora alcuni alleli tendono ad espandersi?
elementi in cis favoriscono l’espansione
Forse
Come si formano le ripetizioni?
INSTABILITÀ MITOTICA presenza di espansioni di grandezze
differenti all’interno dello stesso tessuto e tra tessuti diversi
(mosaicismo tissutale)
INSTABILITÀ MEIOTICA
trasmissione alle generazioni
successive di una espansione di diversa ampiezza. E’ alla base
del meccanismo dell’anticipazione genetica.
Anticipazione genetica
La malattia esordisce più precocemente da una
generazione alla successiva
La severità della malattia aumenta da una generazione
alla successiva
50 anni
30 anni
10 anni
Malattie da espansione di triplette
Patologie da espansione di triplette
ripetizioni consecutive, in numero variabile e quindi polimorfe, di sequenze uguali
• Causano in genere disordini neurologici (malattie neurologiche, neurodegenerative
e neuromuscolari)
• Tendenza al rapporto lineare fra numero di numero di ripetizioni e gravita’ del
quadro clinico
• Si possono accompagnare ad anomalie citogenetiche (sito fragile)
• Espansione preferenziale nelle trasmissioni materne (sindrome dell’X-fragile,
fragile
distrofia muscolare miotonica)
miotonica o paterne (corea di Huntington)
Huntington
• Spesso associate al fenomeno dell’ anticipazione genetica (= esordio piu’ precoce
da una generazione alla successiva e spesso aggravamento dei sintomi) inspiegabili
dalla genetica classica e spiegati solo negli ultimi anni con la “genetica dinamica”
Perché un aumento nel numero delle sequenze ripetute causa
una patologia?
esistono differenti meccanismi molecolari
Espansioni in regioni codificanti del gene es. corea di Huntington
Espansioni in regioni non codificanti del gene es. sindrome dell’X-fragile e
distrofia miotonica di tipo 1 e 2
Malattia di Martin Bell o sindrome dell’X-fragile
E’ la seconda causa di ritardo mentale di natura genetica dopo la sindrome
di Down.
Si associa ad anomalie citologiche (sito fragile)
Frequenza: 1/4000 maschi; 1/6000 femmine
Fenotipo:
- ritardo mentale grave
- faccia allungata con mandibola larga
- grandi orecchie a sventola
- testicoli ingrossati (macro-orchidismo)
Alterazione responsabile della malattia:
Espansione della tripletta CGG nella 5’UTR del gene FMR-1 che ne determina il
silenziamento genico (malattia da perdita di funzione) e la mancata produzione
della proteina FRMP (fragile X-mental retardation protein).
Fenotipo normale: <50 repeats
Fenotipo premutato: 55-200 repeats
Fenotipo malato: >200 repeats
Xq27.3) FMRP è una proteina legante gli RNA (RNA-binding protein)
protein espressa soprattutto nei
testicoli e nel cervello, i tessuti più colpiti dalla sindrome. FMRP si associa ad RNA
messaggeri codificanti importanti proteine neuronali, e ne regola alcuni aspetti essenziali,
quali il trasporto lungo i dendriti verso le sinapsi e la traduzione in proteine.
Genetica:
• Espansione preferenziale nelle trasmissioni materne.
DURANTE L’OOGENESI
amplificazione
PRE-MUTAZIONE
MUTAZIONE COMPLETA
• Patologia X-linked
% maschi affetti più alta no prodotto genico
% femmine affette più bassa dipende da quale cromosoma X è inattivato
La tendenza all’espansione della sequenza ripetuta CGG si verifica solo quando la premutazione è
trasmessa dalla madre: pertanto, poichè durante la maturazione dell'ovulo materno o nelle prime
fasi della crescita embrionale, la premutazione può espandersi a mutazione completa, una madre
portatrice sana avrà il rischio del 50% di avere dei figli maschi affetti e del 50% di avere delle
femmine con la mutazione completa metà delle quali presenterà i sintomi della malattia
Quando la premutazione è trasmessa dal padre rimane stabile quindi le figlie femmine
riceveranno la premutazione senza che avvengano variazioni nel numero delle triplette
CGG. I figli maschi, invece, ricevono dal padre il cromosoma Y pertanto non sono a
rischio di ereditare la premutazione .
NB:
La mutazione patologica (definita full mutation), corrisponde
all’allele con > 200 triplette metilate
Casi particolari (rari):
Mosaicismo
di
lunghezza
(normale/premutato;
premutato/mutato; normale/mutato) fenotipo variabile
Mosaicismo di metilazione (alleli con > 200 triplette metilati e
non metilati) fenotipo variabile
1% dei pazienti non presenta espansione di triplette ma
mutazioni puntiformi o delezione del gene
Albero genealogico di famiglia con FRAX
I
II
III
Fenotipo malato: >200 repeats
Distrofia muscolare miotonica di tipo 1 o Malattia di Steinert
Caratteristiche: patologia ad andamento progressivo caratterizzata da miotonia e
distrofia muscolare. Presente in forma lieve (dell’adulto), in forma classica (esordio in
età adulta o giovanile) ed una forma congenita (presente alla nascita)
Frequenza: 1/8000
Genetica: trasmissione autosomica dominante a penetranza incompleta. Espansioni
trasmesse per via materna.
Gene responsabile: l’espansione riguarda la tripletta CTG e si trova nella regione 3’UTR
del gene DMPK che mappa sul cromosoma 19 e codifica per la proteina miotoninaprotein-chinasi (MT-PK):
alleli normali: 5-35 repeats
alleli premutati: 36-49 repeats
classe E1: 50-150 repeats
classe E2: 150-1000 repeats
classe E3: >1000 repeats
Distrofia muscolare miotonica di tipo 2 o PROMM
Caratteristiche: miopatia miotonica prossimale, indistinguibile a livello clinico dalla
DMM Tipo 1. Non è mai presente una forma congenita. Clinicamente più lieve.
Frequenza: 1/50.000 circa
Genetica: trasmissione autosomica dominante
Gene responsabile: la patologia è determinata da un’espansione di un tetranucleotide
CCTG,
CCTG presente nel primo introne del gene ZNF9,
ZNF9 che mappa in posizione 3q21.3.
Espansioni trasmesse per via materna.
Alleli normali: 11-26 repeats
Alleli mutati: 75-11.000 repeats (media: 5.000 repeats)
Malattia da guadagno di funzione
DMM1 e DMM2: patologie a RNA
I trascritti contenenti l’espansione formano degli aggregati resistenti alla
distruzione che rimangono intrappolati nel nucleo.
Questi aggregati interferiscono con altre proteine nucleari
funzione
guadagno di
In particolare, gli aggregati (“foci”) di RNA sequestrano una classe di proteine
necessarie per un corretto assemblaggio dello spliceosoma
L’effetto finale è l’alterazione dello splicing di altri geni, con conseguente
alterazione funzionale di diversi pathways (effetto in trans).
DMM1 e DMM2 sono un esempio di ETEROGENEITÀ GENETICA,
cioè mutazioni in geni differenti possono produrre lo stesso
fenotipo
Entrambe le patologie sono dotate di grandissimo mosaicismo
somatico
Espansioni trasmesse per via materna
Corea di Huntington
Caratteristiche:
•Malattia neurodegenerativa che porta alla demenza, caratterizzata da disturbi del
movimento (còrea, dal greco danza) e rigidità. Esordio tardivo e decorso progressivo.
Porta a morte in circa 15 anni.
Frequenza: circa 1/20.000
Genetica:
• Espansione preferenziale nelle trasmissioni paterne (favorita da eta’ paterna
avanzata)
Gene responsabile: gene IT15, (Interesting Transcript 15) sul braccio corto del
cromosoma 4, che codifica per la proteina huntingtina. La mutazione è data
dall’espansione della tripletta CAG nell’esone 1 proteina con sequenza di glutamine in
eccesso
Fenotipo normale: 9 36 repeats
Fenotipo malato: 37121 repeats
Alleli normali:
Alleli intermedi:
Alleli mutati a penetranza incompleta: 36-39 CAG
Alleli mutati a penetranza completa: 40-121 CAG
Forma giovanile per espansioni > 60 CAG
<26 CAG
27-35 CAG
La proteina mutata:
• stabilisce interazioni anomale con altre proteine cellulariA
• ha un’alterata localizzazione prevalentemente nucleareB
• provoca tossicità cellulare
• è suscettibile al taglio proteolitico
A
B
WT
mut
Meccanismo patogenico
Meccanismi
(dominante)
di
“guadagno
di
funzione”
1) Tossicità da poliglutamine
L’eccesso di glutamine nella sequenza aminoacidica
impedisce il giusto ripiegamento (folding) della proteina
stessa. La proteina viene degradata ma i frammenti con
le poliglutamine si aggregano. Si formano accumuli
all’interno dei nuclei dei neuroni con effetto citotossico.
2) Altri meccanismi:
danno mitocondriale, alterazione della trascrizione di
altri geni, alterazione del trasporto assonale e
dell’omeostasi del calcio, alterato metabolismo degli RNA
Meccanismi di “perdita di funzione”
perdita della funzione anti-apoptotica con degenerazione
tissutale
Famiglia con malattia di Huntington (HD)
Analisi delle ripetizioni espanse
Malattia di Huntington.
Amplificazione di un frammento di gene contenente ripetuti (CAG) n
con la PCR e corsa su gel di polyacrylamide. Le bande sono rivelate
con colorazione argentica. La scala indica il numero di ripetizioni.
5) caso di insorgenza giovanile.
9) feto affetto (diagnosi prenatale).
Espansioni trasmesse per via paterna
Distrofia miotonica. Southern blot di DNA digerito con Eco
RI. Le bande di 9 o 10 kb sono varianti normali.
4) Il nonno ha una banda 10 Kb lievemente espansa (ha
catarratta ma non altri segni di DM).
1) Sua figlia ha una banda 10 Kb decisamente espansa con un
tipico esordio di DM in età adulta.
6) Il nipote ha una forte espansione ed è caratterizzato da
una forma molto severa e congenita.
Espansioni trasmesse per via materna
Sia la Sindrome dell’X-fragile che la malattia di Huntington sono causate
dall’espansione di una ripetizione di triplette.
Gli individui con la sindrome dell’X-fragile hanno almeno 200 ripetizioni
CGG all’estremità 5’ del gene FMR-1.
Gli individui con la malattia di Huntington hanno almeno 36 ripetizioni
CAG dentro la regione codificante del gene dell’huntingtina.
a) Come viene influenzata l’espressione del gene da queste espansioni di
triplette?
b) In base alla risposta (a) perché la mutazione del gene FRM-1 dell’Xfragile è recessiva mentre quella dell’huntingtina nella Corea di
Huntington è dominante?
c) Perché il numero di ripetizioni di triplette necessario a determinare il
fenotipo è diverso per ciascuna malattia?
d) Perché la penetranza è incompleta nell’X-fragile?