Corso integrato di Genetica e Biologia Molecolare
GENETICA
a.a.2015-2016
Pier Franco Pignatti
13.10.2015
Lezioni N. 7-8
Malattie XL, YL, Mitocondriali
(Neri Genuardi cap. 6, 7, 31)
inattivazione, ereditarietà oloandrica, ereditarietà materna,
eteroplasmia, aplotipo, aplogruppo, evoluzione umana
ECCEZIONI A INCROCI EQUIVALENTI
• Ereditarietà legata ai cromosomi sessuali
• Ereditarietà mitocondriale (citoplasmatica)
• Imprinting genetico (silenziamento genico
genitore specifico)
• Disomia uniparentale (trasmissione di
entrambi i cromosomi di una coppia da un solo
genitore)
MALATTIE XL
Inattivazione del cromosoma X
Mary Lyon (1961)
Inattivazione: precoce (3-7 gg da fertilizzazione, 16-54
cellule), casuale, permanente, reversibile nei gameti. Non
comprende la regione pseudoautosomica. Conseguenze:
compenso di dose (tranne alcuni geni), espressione
variabile nelle femmine eterozigoti, mosaicismo.
Mappa parziale del cromosoma X umano
Inattivati: DMD (Distrofia Muscolare di Duchenne), AR (Recettore per
gli Androgeni), HPRT (Ipoxantina Fosfo Ribosil Trasferasi), FMR1
(Ritardo Mentale legato all’X tipo 1), G6PD (Glucoso-6-Fosfato
Deidrogenasi). Non inattivati: STS (Steroido Solfatasi), XIST (X
Inactivation Specific Transcript), XIC (Centro di Inattivazione dell’X).
La inattivazione è mantenuta dalla espressione di XIST e dalla
metilazione del DNA e non comprende la regione pseudoautosomica.
Inattivazione sbilanciata della X
INATTIVAZIONE
CASUALE
: X paterno inattivato;
INATTIVAZIONE
SBILANCIATA
: X materno inattivato
Dallapiccola e Novelli, Genetica Medica Essenziale, Il Minotauro 2006
Albero genealogico ereditarietà XR
Genetic counseling aids, 6° ed., Greenwood Genetic Center 2013
Segregazione di un carattere XR
Counseling aids for geneticists, Greenwood Genetic Center 1955
Criteri per distinguere la ereditarietà XR
• L’incidenza del carattere è molto maggiore nei
maschi che nelle femmine
• Tutte le figlie di un maschio affetto sono portatrici
• I figli maschi delle femmine portatrici hanno il
50% di probabilità di essere affetti
• Non c’è trasmissione del carattere da padre a figlio
Famiglia con femmina affetta da malattia XR
Apparente trasmissione da maschio a maschio
Thompson & Thompson Genetics in Medicine, Saunders 1991
Frequenza di alcune malattie XR
Connor e Ferguson-Smith Principi di Genetica Medica, Esculapio 1986
Distrofia Muscolare di Duchenne (DMD)
(a): manovra di Gower, (b): muscolo normale, (c): muscolo di bambino affetto
Incidenza mondiale stimata: circa 1/3.500 nati maschi
Read A e Donnai D, Genetica clinica, Zanichelli 2007
Immunocolorazione della distrofina in DMD
Femmina
portatrice
Maschio affetto
x240
x480
Femmina
non affetta
x480
Il muscolo della portatrice DMD mostra zone positive e negative di
immunocolorazione della distrofina che indicano la inattivazione della X
Thompson & Thompson, Genetics in Medicine, Saunders 1991
La distrofina e le distrofinopatie
La distrofina (in rosso) ancora il citoscheletro delle cellule
muscolari alla matrice extracellulare mediante il complesso
distrofina-glicoproteine. A: muscolo normale; B: alterazioni
proteiche che si possono osservare nel muscolo distrofico
Allen DG e NP Whitehead, 2011
Mutazioni del gene della distrofina in
DMD, BMD, cardiomiopatia legata alla X
Regola della cornice di lettura: le delezioni in DMD
determinano lo spostamento del modulo di lettura, in BMD no.
Ci sono eccezioni: uno studio indica il 30% di delezioni/
duplicazioni out of frame in BMD (Kesari A et al 2008)
Burke W 2003
Alberi genealogici ereditarietà XD
Letale prenatale nei maschi emizigoti
Thompson & Thompson, Genetics in Medicine, Saunders 1986
Caratteristiche della ereditarietà XD
I maschi affetti hanno figlie affette e figli sani
Le femmine affette hanno il 50% delle figlie e dei figli affetti
Le femmine hanno solitamente espressione più lieve della
malattia
Alcune malattie XD
S.Rett: regressione sviluppo sistema nervoso con ritardo mentale, scoliosi,
spasticità. Solo femmine affette. Bimba con caratteristico strizzamento delle
mani. Mutazioni con perdita di funzione del fattore di trascrizione MeCP2,
proteina che lega Metil-CpG e Metil-CpA/C/T e determina il silenziamento
di geni bersaglio nei neuroni e nelle cellule gliari.
Ereditarietà legata all’Y
Ereditarietà oloandrica o “paterna”
Una possibile malattia legata all’Y
Nella generale mancanza di malattie ereditarie legate all’Y, è stata
recentemente riportata una malattia in una grande famiglia cinese :
una rara forma di sordità legata all’Y (DFNY1). DFNY1 è dovuta alla
inserzione nel cr.Y di 160kb di DNA di un gene della sordità già noto
(DFNA49, situato sul cr.1). La FISH metafasica mostra l’inserzione
Y normale: sonda solo su cr.1 Y riarrangiato: sonda anche su Y
Wang Q et al 2013
Geni per la determinazione del sesso e della fertilità
SRY: Sex determining region
SRY on the Y. Differenziazione
sessuale in senso maschile
AZFa
AZFb
AZFc
AZF: Azoospermia factor.
Produzione di spermatozoi.
Delezioni causa di infertilità
La determinazione del sesso
In assenza di
SRY aumenta il
livello di
RSPO1 che
stimola WNT4 e
beta-catenina
producendo un
ovario
Nella gonade
SRY positiva
bipotente, SRY
con DAX e SF1
attiva SOX9.
SRY eSOX9
reprimono la via
ovarica
Matzuk MM e Lamb DJ, 2008
Appaiamento meiotico dei cromosomi X e Y
Read A e D Donnai New Clinical Genetics 2° ed. Scion 2011
Maschi XX e femmine XY
Inversione del sesso per scambio anomalo di sequenze X e Y, seguito da
fecondazione con spermatozoo ricombinante. Maschi XX: fenotipo
maschile o ambiguo o ermafroditi. Femmine XY: infertili (tipo Turner)
Thompson & Thompson, Genetics in Medicine, Saunders 1986
Traslocazione di SRY sull’X
La FISH mostra una traslocazione t(X;Y) (p22.3; p11.2) in un maschio
XX. La sonda per SRY è un mix di sequenze locus specifiche (in rosso).
Il centromero di X è ibridato con una sonda di sequenze alfa-satelliti (in
verde). In cellule normali il segnale rosso si osserva solo sull’Y
Thompson & Thompson, Genetica in Medicina, Idelson-Gnocchi 2005
Ereditarietà mitocondriale
Segregazione replicativa del mtDNA
Counseling aids for geneticists Greenwood Genetic Center 1989
Eteroplasmia
Variabilità fenotipica dovuta a mosaicismo somatico
90% of the 1000 Genomes Project population has detectable
heteroplasmy (Ye K et al 2014)
Caratteristiche della ereditarietà mitocondriale
o materna o citoplasmatica
I figli e le figlie di donne affette sono a rischio di essere affetti
I maschi non trasmettono il carattere
C’è variabilità di espressione del carattere
Degradazione dei mitocondri paterni
Poco dopo la fertilizzazione gli autofagosomi (in verde)
confluiscono attorno al sito di penetrazione degli
spermatozoi nel citoplasma dell’oocita e inglobano
selettivamente i mitocondri paterni (in rosso) che vengono
poi degradati nei lisosomi durante la embriogenesi
Sato M e Sato K, 2011
Confronto fra mtDNA e nDNA umani
mtDNA
nDNA
16.569 bp
circolare
2-10 molecole/mit
37 geni
3.000.000.000 bp
lineare
23 coppie cromosomi
c. 21.000 geni
nDNA/mtDNA=180.000x; geni n/geni mt=567x
I geni mitocondriali sono più condensati dei geni nucleari
Il genoma mitocondriale umano
(il “mitogenoma”)
13 OXPHOS
2 rRNA
22 tRNA
37 geni totale
MIM 9th ed
Johns Hopkins Un Press 1990
Alcune mitocondriopatie
MALATTIA
MUTAZIONI
S.Kearns-Sayre oftalmoplegia retinopatia
Del varie
S.Pearson anemia pancitopenia insufficenza pancreatica
Del varie
PEO oftalmoplegia progressiva esterna
Del varie
MELAS encefalop mitocondriale acidosi lattica ictus
tRNA
MERRF epilessia mioclonica con fibre rosse striate
tRNALys
NARP neuropatia atassia retinite pigmentosa
ATPasi 6
S. Leigh encefalomiopatia necrotizzante
ATPasi 6, g.nucl
Cardiomiopatia ipertrofica
tRNA
LHON neuropatia ottica ereditaria Leber
Geni OXPHOS
Patologie mitocondriali
Le patologie mitocondriali sono malattie multisistemiche
dovute a mutazioni di geni nucleari o mitocondriali
Johns DR, NEJM 1995
Epilessia mioclonica con fibre
muscolari rosse striate (MERRF)
Gelehrter e Collins, Manuale di Genetica Medica, Masson 1993
“Ragged Red Fibers”
Le fibre rosse striate riflettono una massiccia
proliferazione subsarcolemmatica di mitocondri
anomali con alterazione della fosforilazione ossidativa.
Colorazione Gomori tricromica modificata
MERRF: eterogeneità fenotipica
Gelehrter Collins Ginsburg, Genetica medica, Masson 1999
INS/DEL mtDNA
*
*
*Due ripetizioni dirette di 13 bp al n.8470 e n.13447
causano la delezione più frequente: 4977del
Wallace D, Ann Rev Biochem 1992
4977del e invecchiamento
Le mutazioni mitocondriali aumentano con l’età: causa o effetto?
- Mutazioni somatiche mtDNA sono legate a caratteri complessi, come
invecchiamento, malattie neurodegenerative e cancro (Schon et al 2012)
- Nel topo aumentano con l’età ma non determinano la durata della vita
(Vermulst M et al 1997)
Associazione fra varianti del mtDNA e alcune
malattie complesse
Hudson G et al 2014
Aplotipo
Aplotipo: una serie di alleli strettamente concatenati su un cromosoma,
una combinazione gametica che viene normalmente ereditata in
blocco. Termine originariamente usato da Ceppellini per descrivere la
combinazione di alleli MHC. Aplotipo è un termine corretto per il
DNA mitocondriale perché mtDNA non è sottoposto a ricombinazione
e tutti i geni mitocondriali vengono ereditati assieme
Filogenesi degli aplogruppi del mtDNA
La lunghezza dei rami corrisponde al numero di mutazioni
che differenziano un aplogruppo dall’altro
Cavalli-Sforza LL e M Feldman 2003
Filogenesi degli aplogruppi del Y-DNA
Cavalli-Sforza e Feldman 2003
La migrazione di Homo Sapiens
Risultati dello studio degli aplogruppi di cr.Y e mtDNA (Cavalli-Sforza e Feldman
2003), confermati da ricerca DNA clock con NGS (Scally e Durbin 2012)
National Geographic Upgrades Genographic
Consumer Genomics Service, Pledging Better
Y, mtDNA Coverage
Thanks to a new array, the project will now offer customers expanded Y
chromosome and mitochondrial DNA analyses, setting it apart in a
competitive consumer genomics market that includes offerings from
Ancestry.com, 23andMe, and Family Tree DNA.
The new service is currently priced at $199, and is available for order. National
Geographic will commence shipment of kits for the new service in September.
Geno 2.0: Next Generation contains closer to 20,000 Y markers. The new array
also contains 4,000 mtDNA SNP markers (and 650.000 SNPs)
"As a single product, Geno 2.0: Next Generation will be the best Y chromosome
calling, best mtDNA calling that you can get, other than whole-chromosome
sequencing or mtDNA sequencing, in one analysis."
Genomeweb Daily News Aug 13, 2015
