Geni e colori: una questione di pelle - CusTAG

Geni & colori: una questione di pelle....
BIANCO CON IL GIALLO
Cheope - Renato Pareti
Prendi una matita, gioca coi colori,
non aver paura di metterli vicini,
di mischiarli tutti sotto un solo cielo
come dei bambini all'uscita dall'asilo.
Prendi un foglio bianco e disegna il mondo
con dei grandi prati e il mare sullo sfondo.
Non importa molto se non è rotondo,
quello che è importante è la gente che ci sta.
Gente che sappia dare amore
alla gente che amore non ne ha,
senza guardare mai il colore che la sua pelle ha.
......ma anche di occhi e di chiome
Bianco con il giallo trova suo fratello,
giallo con il nero ed è un amico vero,
verde con il viola vanno insieme a scuola,
l'arancione e il blu che si danno già del tu.
Bianco contro il nero, il mondo resta a zero,
azzurro contro il rosso cadono nel fosso,
blu senza marrone, il cuore è già in prigione
e non c'è ragione che debba stare là.
Prendi una matita, gioca coi colori,
non aver paura di metterli vicini,
di mischiarli tutti sotto un solo cielo,
come dei bambini all'uscita dall'asilo.
Fai un universo, fallo un po' diverso,
fai le stelle azzurre e il cielo tutto giallo,
fai anche le piante con le radici in cielo,
quello che è importante è la gente che ci sta.
Gente che sappia dare amore
alla gente che amore non ne ha,
senza guardare mai il colore che la sua pelle ha.
Bianco con il giallo trova suo fratello,
giallo con il nero ed è un amico vero,
verde con il viola vanno insieme a scuola,
l'arancione e il blu che si danno già del tu.
Bianco contro il nero, il mondo resta a zero,
azzurro contro il rosso cadono nel fosso,
blu senza marrone, il cuore è già in prigione
e non c'è ragione che debba stare là.
Bianco contro il nero, il mondo resta a zero,
azzurro contro il rosso cadono nel fosso,
blu senza marrone, il cuore è già in prigione
e non c'è ragione che debba stare là.
Giallo con il nero, verde con il blu!
Renata Bocciardi
DINOGMI - Università degli Studi di Genova
U.O.C. Genetica Medica - Istituto G. Gaslini
Genova, 24/02/2014
Teatro della Gioventù
Il genoma umano presenta milioni di variazioni tra gli individui
Alcune di queste comportano evidenti variazioni nel fenotipo come per
esempio l’anemia falciforme, l’acondroplasia, la fibrosi cistica , la talassemia,
l’emofilia e molte altre malattie ereditarie rare.
La maggior parte di queste sembra non avere alcun effetto, ma un certo
numero di queste molto probabilmente influenza la variabilità di un gran
numero di caratteri come per esempio la struttura corporea, la
pigmentazione, molte funzioni metaboliche, il temperamento e così via.
Sempre tra queste ultime un certo numero è implicato nella predisposizione
genetica a malattie molto comuni come il diabete, l’ipertensione, l’infarto del
miocardio, l’ictus cerebrale, alcune malattie psichiatriche come la schizofrenia
e i disordini bipolari
Il colore della pelle (pigmentazione), dei capelli e degli occhi è uno
degli esempi più EVIDENTI della variabilità fenotipica nell’uomo
Lo studio della base genetica di questa variabilità ha messo in evidenza
come la pigmentazione sia un carattere complesso o multifattoriale
Componente genetica
~400 geni
e loci
Componente ambientale
.......Tanto evidente da essere stato utilizzato per la
definizione delle cosiddette “razze”
• Osservando la distribuzione del colore della pelle si osserva che la
pigmentazione diminuisce all’aumentare della distanza dall’equatore
...ma... A cosa è dovuto il colore della pelle????
Il colore della pelle, dei capelli e degli occhi è principalmente dovuto
alla presenza di melanina (pigmento naturale) prodotta da cellule
specializzate chiamate melanociti
Nella pelle i melanociti sono
localizzati alla base dell’epidermide
Nei capelli e nei peli i melanociti
sono localizzati nel bulbo
• Negli occhi i melanociti si trovano a
livello dello strato più interno dell’iride
La melanina viene prodotta dai melanociti all’interno di strutture
organizzate dette melanosomi
Perchè siamo più o meno “colorati”?
Il colore più o meno scuro della pelle è dovuto a differenze nel numero,
nella dimensione, densità e distribuzione dei melanociti contenenti
melanosomi, mentre il numero medio di melanociti per unità di superficie di
pelle e pressochè identico per tutti
Come viene prodotta la melanina?
OCA2
• Feomelanina (Phaeomelanin)
giallo/rossa
Eumelanina (Eumelanin)
nero/marrone scuro
Che ruolo ha la pigmentazione?
Ruolo chiave nell’assorbimento della radiazione solare
(UVA, UVB) per proteggere le cellule della pelle dai
danni da essa provocati (bruciature, generazione di
radicali liberi, danni al DNA, fotolisi dei folati...)
Produzione di calore (forma meno tossica di energia)
Tuttavia la funzione protettiva deve essere bilanciata
con la necessità di sfruttare la radiazione solare per la
sintesi della vitamina D3*
La storia evolutiva del colore della pelle è stata
sicuramente influenzata dalla necessità di questo equilibrio
*La vitamina D3 o colecalciferolo viene prodotta nelle cellule
della pelle per fotoconversione del 7-deidrocolesterolo e
garantisce circa l’80% del nostro fabbisogno
Come si valuta il colore della pelle?
....e quello degli occhi?
B
C
# Componente
ambientale
# Biogenesi,
struttura,
maturazione e
trasporto dei
melanosomi
# Sintesi e
maturazione
della melanina
Colori & Geni e ritorno...
Il fatto si considerare la pigmentazione nell’uomo come un
un tratto “EREDITABILE” non è una novità
Per quanto riguarda la pigmentazione, studi
evoluzionistici sulla variabilità del genoma hanno messo
in evidenza che ci sono diversi segnali di selezione positiva
di determinati alleli nelle popolazioni di origine europea o
asiatica e quasi nulla nelle popolazioni di origine
africana
Questo dà supporto all’idea che la colorazione ancestrale
della nostra pelle sia quella SCURA mentre la colorazione più
chiara sia comparsa più tardi in Europa e in Asia in seguito ad
evoluzione convergente legata alla comparsa di diverse varianti
Come sono stati identificati i geni responsabili della
pigmentazione nell’uomo?
Studio sui modelli animali
Difetti di pigmentazione nell’uomo
Analisi di geni candidati (es. geni e proteine implicati nella sintesi, trasporto e
distribuzione della melanina etc...)
Studi di associazione (SNP candidati o GWAS, Genome-Wide Association Study)
Studio di Associazione (Association Study)
Uno specifico allele in un locus/gene di interesse si dice
ASSOCIATO ad un tratto fenotipico (o malattia) se si ritrova
con una frequenza significativamente più alta negli individui
che mostrano quel tratto/malattia (casi) rispetto ad individui
che non mostrano quel tratto/malattia (controlli)
Strumenti:
• Genotipizzazione dei casi e dei controlli per definire gli alleli
presenti in ciascun individuo per quel locus (ampia varietà di
tecniche)
• Spesso la genotipizzazione si riferisce a polimorfismi biallelici a singolo nucleotide (Single Nucleotide Polymorphisms,
SNPs)
• Test statistico
• Necessità di analizzare un numero molto grande di individui
perchè il risultato abbia una validità statistica
Basi genetiche della pigmentazione nell’uomo:
gli studi di associazione su tutto il genoma
(Genome-wide Association Study, GWAS)
• Ne sono stati disegnati e realizzati molti....
• Uno dei primi studi GWAS sulla pigmentazione è stato
realizzato partendo da una grossa ricerca volta ad
identificare regioni del nostro genoma sottoposte a pressione
selettiva recente (genotipizzazione di oltre 3x106 SNPs in 460
individui appartenentei a diverse popolazioni)
• Tra le regioni identificate e fortemente candidate ne
comparivano alcune contenenti geni della pigmentazione
dbSNP
rs1426654 A>G
rs3212379
16
88512632
MC1R
5′ UTR
C
T
rs3212359
16
88512678
MC1R
5′ UTR
C
T
rs3212360
16
88512718
MC1R
5′ UTR
C
T
rs3212361
16
88512723
MC1R
5′ UTR
G
A
rs3212362
16
88512845
MC1R
5′ UTR
G
A
rs3212363
16
88512942
MC1R
5′ UTR
A
T
rs1805005
16
88513345
MC1R
Nonsyn
G
T
rs1805006
16
88513419
MC1R
Nonsyn
C
A
rs2228479
16
88513441
MC1R
Nonsyn
G
A
rs2229617
16
88513477
MC1R
Nonsyn
G
A
rs3212364
16
88513485
MC1R
Syn
G
A
rs1805007
16
88513618
MC1R
Nonsyn
C
T
rs1110400
16
88513631
MC1R
Nonsyn
T
C
rs3212365
16
88513633
MC1R
Nonsyn
G
C
rs1805008
16
88513645
MC1R
Nonsyn
C
T
rs885479
16
88513655
MC1R
Nonsyn
G
A
rs3212366
16
88513753
MC1R
Nonsyn
T
C
rs1805009
16
88514047
MC1R
Nonsyn
G
C
rs3212367
16
88514067
MC1R
Syn
C
T
rs2228478
16
88514109
MC1R
Syn
A
G
rs3212368
16
88514133
MC1R
3′ UTR
G
A
rs3212369
16
88514261
MC1R
3′ UTR
A
G
rs3212370
16
88514278
MC1R
3′ UTR
C
A
rs3212371
16
88514702
MC1R
3′ UTR
A
G
rs12592271
15
25763517
OCA2
Int
G
A
rs12592307
15
25763768
OCA2
Syn
G
A
rs17566952
15
25870480
OCA2
Int
G
C
rs7170989
15
25874003
OCA2
Int
T
C
rs11638265
15
25876168
OCA2
Int
C
T
rs12439067
15
25876220
OCA2
Int
G
T
ss69374775
15
25876236
OCA2
Int
G
A
rs1800411
15
25885516
OCA2
Syn
C
T
rs12910433
15
25902239
OCA2
Int
C
T
rs1037208
15
25904952
OCA2
Int
C
A
rs2290100
15
25946945
OCA2
Int
A
G
rs1052165
12
54637613
SILV
Syn
C
T
ss69374774
5
33980486
SLC45A2
Down
A
C
rs250416
5
33983301
SLC45A2
Int
G
T
rs2278007
5
33987308
SLC45A2
Int
A
G
rs2287949
5
33990268
SLC45A2
Syn
T
C
rs26722
5
33999627
SLC45A2
Nonsyn
C
T
rs183671
5
33999967
SLC45A2
Int
A
C
rs4547091
11
88550469
TYR
Up
C
T
rs1799989
11
88550571
TYR
Up
C
A
rs1042602
11
88551344
TYR
Nonsyn
C
A
rs12804012
11
88600438
TYR
Int
G
A
rs3793975
11
88600836
TYR
Int
C
T
rs1827430
11
88658088
TYR
Int
A
G
rs28521275
11
88668617
TYR
Down
G
A
• Molti dei risultati ottenuti sono stati replicati in molti altri studi, usando popolazioni
diverse e diverse numerosità
• Interessanti sono ad esempio i dati di associazione ottenuti in tre grossi studi
derivati dai dati raccolti con il progetto islandese deCODE
Icelandic Health Sector Database (HSD)
Approvato dal Parlamento nel 1998
Contenente i dati clinici, genetici e genalogici di
tutta la popolazione islandese
Genotipizzazione SNP associati
ai geni della pigmentazione in
2986 islandesi
Replica dello studio in un
gruppo di 2718 individui della
stessa area
Conferma dei risultati ottenuti
in un terzo gruppo di 1214
olandesi
Caratterizzazione della popolazione in esame
Riassumendo
- 104 associazioni significative tra frequenze alleliche e fenotipo
- 60 SNP appartenenti a 5 regioni cromosomiche definite
•
•
•
•
•
parte terminale chr 16q (MC1R)
chr 15q (regione di circa 582 kb, geni HERC-OCA2)
chr 12, regione gene KITL
chr 14q, gene SLC24A4
telomero chr 6p, (regione di circa 340 kb, geni EXOC2-IRF4)
Riguardando in dettaglio
lo schema...
La sfida degli studi di associazione è però quella di
arrivare a capire quale tra le varianti identificate contribuisca
effettivamente alla variabilità fenotipica riscontrata, in altri
termini, capire quali varianti abbiano effettivamente un ruolo
funzionale
(vediamo insieme due esempi “esemplari”......)
Per quanto riguarda il colore della pelle e dei capelli una
delle associazioni più significative, confermate in studi
diversi riguarda la proteina MC1R
Chi è e cosa fa MC1R?
E’ un recettore presente sulla membrana dei melanociti e funziona da
importante regolatore per la sintesi e il trasporto della melanina
Viene attivato da α-MSH e ACTH, inibito da ASIP
Influenza la proliferazione dei
melanociti
La formazione dei dendriti
melanocitari
Favorisce il trasferimento dei
melanosomi
Favorisce la sintesi della
eumelanina rispetto alla
feomelanina
Il gene che codifica per MC1R è molto polimorfico (contiene diverse varianti a
singolo nucleotide....oltre 70 SNP)
Nella popolazione europea alcuni di questi SNP sono stati associati alla pelle
chiara e ai capelli rossi, alla presenza di lentiggini (tratto RHC = Red Hair
Color) e in alcuni casi alla predisposizione ai tumori della pelle
Quali sono queste varianti
Che cosa fanno a MC1R?
Alleli RHC
Presenza
alla mb
fn
dom
neg
62
R
-
-
+
R151C
118
R
--
-
+
R160W
50
R
-
-
+
D294H
94
R
+
-
+
R142H
*
+
-
I155T
*
---
-
Varianti
D84E
OR
V60L
6
r
-
-
V92M
5
r
-
+
R163Q
2
r
-
-
+
Cioè influenzano
• la sua localizzazione
nella cellula
• la sua funzionalità (fn)
e interferiscono con l’allele
“selvatico” (dominanza
negativa)
In ultima analisi
influenzano sintesi e
trasporto di melanina
In ultima analisi influenzano sintesi e trasporto di melanina
e infatti..........
Individui omozigoti per le varianti R151C/R160W/D294H
hanno pelle chiara e capelli rossi
V60L considerato un allele “r” in realtà ha una fn difettosa
quanto R160W/R151C e gli omozigoti hanno la pelle
mediamente più chiara e capelli tendenti al biondo
V92M funziona come l’allele selvatico e gli omozigoti
hanno la pelle mediamente più scura e i capelli castani;
tuttavia era stato individuato come allele “r” e si associa al
tratto RHC in combinazione con altre varianti
Parlando invece di colore degli occhi
SCIN
OCA2
Chi è e cosa fa OCA2?
Omologo del gene p del topo. E’ un recettore presente sulla membrana dei
melanosomi e funziona come trasportatore di piccole di piccole molecole
regolando il pH del melanosoma stesso
Interviene nella biosintesi dei
melanosomi
Influenza l’attività dell’enzima
Tirosinasi (TYR)
e il bilanciamento feo/eumelanina
OCA2 non è una conoscenza proprio nuova...
• Mutazioni nel gene OCA2 (ad oggi più di 150) sono
associate a gravi difetti della pigmentazione nell’uomo
(Albinismo OculoCutaneo)
• Pazienti con la Sindrome di Angelman e Prader-Willi
emizigoti per OCA2, presentano ipopigmentazione
• Studi di associazione hanno ripetutamente indicato che
la regione cromosomica 15q11.2-q12 che lo contiene sia
molto importante per la pigmentazione e il colore degli
occhi
15q11.2-q12 & occhi blu
Le varianti associate alla pigmentazione e al colore degli occhi di questa regione
cromosomica mettono in evidenza TRE blocchi di aplotipi detti APLOTIPI OCCHI
BLU (Blue Eyes Haplotypes, BEH)
BEH1 (5’OCA2)
Rs4778138 - rs4778241 - rs7495174
BEH2
rs12913832
rs1129038
BEH3 (prom HERC2)
Rs916977 - rs1129038
Studi di associazione GWAS indicano che rs12913832 (T>C) (BEH2)
è praticamente in Linkage Disequilibrium (LD) perfetto con il colore
blu degli occhi
T = occhi scuri
C = occhi blu
Ma
non coinvolge la regione codificante di alcun gene
si trova nell’introne 86 del gene HERC2 che non ha troppo
a che vedere con la pigmentazione
.....e allora? siamo di fronte ad uno dei vicoli ciechi nei
quali a volte gli studi di associazione vanno a finire?
21.5 kb
rs12913832 si trova in una regione
del genoma molto conservata tra le
specie
In realtà, è stato dimostrato in
diversi modi che la variante si trova in
una sequenza importante per la
regolazione della trascrizione di OCA2
L’allele C (occhi blu) fa funzionare
meno il promotore di OCA2, quindi si
produce meno mRNA e meno proteina
Diminuisce la melanogenesi e si ha
più feomelanina
Un’ ultima considerazione
Abbiamo parlato dell’importanza dei geni coinvolti nella
pigmentazione come determinanti genetici della variabilità di
questo tratto fenotipico così evidente nell’uomo
Abbiamo parlato del fatto che la pigmentazione può
variare in risposta all’ambiente e in particolare all’esposizione
al sole, e ha un importante ruolo protettivo
Non sorprenderà quindi sapere che alcune delle varianti
associate alla pelle chiara, presenza di lentiggini, tendenza
alle scottature etc siano associate ad una maggior
predisposizione a sviluppare tumori della pelle (carcinomi a
cellule squamose, melanomi...)
La relazione tra tipo di pigmentazione, radiazione solare e
aumentato rischio di sviluppare tumori della pelle sembra ben
chiara, meno chiari sono i meccanismi sottintesi
Pigmentazione
nell’uomo (colore della
pelle, occhi, capelli)
Componente genetica
(geni implicati nella
biosintesi e trasporto
della melanina)
Radiazione solare
Curiosità
Analisi del gene MC1R
suggerisci che almeno
alcuni individui avevano
capelli rossi e pelle
chiara, e forse le
lentiggini....
Siti utili
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/snp/
• http://hapmap.ncbi.nlm.nih.gov/
• http://www.genomel.org/
• http://airc.it
dbSNP
rs1426654 A>G