Prima lezione 2009: GENOMA UMANO e sua organizzazione

DIAGNOSTICA MOLECOLARE E GENETICA MEDICA
Prima lezione 2009:
GENOMA UMANO e sua
organizzazione
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Prof. Massimo Zollo
E-mail : [email protected]
Riceve il venerdi dalle 15:00 alle 16:00
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Libri da consultare
Genetica in Medicina (Thompson and Thomson)- Idelson Gnocchi
Tom Strachan: Genetica Umana Molecolare UTET
Eredita’ Cummings- II edizione EdiSES
STUDENTS AREA:
LESSONS IN MEDICAL GENETICS
http://www.ceinge.unina.it/~zollo/zollo.webpage.htm
GENETICA E’ LA SCIENZA CHE STUDIA:
Î
La variabilità biologica degli organismi viventi
Î
La trasmissione dei caratteri da un organismo
ad un altro o da una cellula ad un’altra
Î
Il ruolo del genoma (patrimonio genetico),
ed in particolare dei geni, nei processi
fondamentali della vita (morfogenesi,
sviluppo,metabolismo etc…..)
EVOLUZIONE DELLA GENETICA UMANA
- Ereditarietà e variabilità
- Geni malattia e mutazioni
- Funzione genica e patogenesi
- Terapia Genica
TAPPE IMPORTANTI DELLA GENETICA (1)
1859 DARWIN Î
Natura ereditaria della variabilità
delle specie
1865 MENDEL Î
Leggi che regolano la trasmissione
dei caratteri
1902 GARROD Î
Primo esempio umano di ereditarietà
mendeliana
1941 BEADLE e TATUM Î
Un gene - un enzima
1953 WATSON e CRICK Î
Struttura del DNA
TAPPE IMPORTANTI DELLA GENETICA (2)
Anni ‘50
Tecniche per lo studio dei cromosomi
Anni ‘70
Tecniche per l’analisi e la manipolazione
del DNA
Anni ‘80
Identificazione di geni umani coinvolti
in malattie ereditarie
Anni ‘90
Progetto Genoma Umano
LE “AREE” DELLA GENETICA IN MEDICINA
Genetica umana
Genetica medica
Medicina molecolare
Genetica clinica
Genetica biochimica
Citogenetica
Genetica molecolare
- Genetica di Popolazione
- Genetica dello Svilluppo
- Genetica delle Cellule Somatiche
DEFINIZIONI (1)
- Malattia Congenita
- Familiarità
- Caso sporadico
- Malattia a Carattere Ereditario
- Genotipo
- Fenotipo
DEFINIZIONI (2)
- Cellule Germinali
- Cellule Somatiche
- Genoma, Cromosoma, Gene
- Mutazione e Polimorfismo
- Tratto e Malattia
CLASSIFICAZIONE DELLE
MALATTIE GENETICHE
- Malattie Monogeniche (Mendeliane)
A.D., A.R., X-L.
- Malattie Cromosomiche (Anomalie di
numero e di struttura)
- Malattie Multifattoriali (o Poligeniche)
- Malattie da Mutazioni delle Cellule Somatiche
- Malattie da Mutazioni nel Genoma Mitocondriale
MALATTIE MONOGENICHE (MENDELIANE)
- Dovute alla mutazione in un singolo gene
- Rare (se prese individualmente)
- Alto rischio di ricorrenza familiare
- Pattern di ereditarietà (modalità di trasmissione)
facilmente riconoscibile
- ~ 7000 entità riconosciute
- ~ 2000 con difetto biochimico conosciuto
- Diagnosi molecolare e prenatale disponibile
per molte (30-40%)
ESEMPI DI MALATTIE MONOGENICHE
- Talassemia
- Emofilia A
- Fibrosi Cistica
- Distrofia Muscolare Duchenne
- Deficit di G6PD (Favismo)
- Fenilchetonuria
- Neurofibromatosi
- Anemia a Cellule Falciformi
MALATTIE CROMOSOMICHE
- Dovute alla deficienza od all’eccesso di interi cromosomi
o frammenti di cromosoma (non un singolo gene ma molti
geni)
- Rare (trisomia 21 frequente) se prese individualmente
ma frequenti come gruppo
- Rischio di ricorrenza familiare molto variabile, secondo
il tipo (da 1:2 a 1:1000)
- Sintomi frequenti : ritardo mentale, bassa statura, segni
dismorfici
- Frequente causa di aborto
- Frequenza: ~ 7/1000 neonati
ESEMPI DI MALATTIE CROMOSOMICHE
- Sindrome di Down (Trisomia 21)
(Frequenza: ~ 1:800)
- Trisomia 18
(Frequenza ~ 1:8000)
- Trisomia 13
(Frequenza ~ 1:25000)
- Sindrome di Klinefelter XXY
(Frequenza: ~1:1000 maschi)
- Sindrome di Turner XO
(Frequenza: ~ 1:5000 femmine)
MALATTIE MULTIFATTORIALI
- Dovute al coinvolgimento di più geni (Poligeniche)
- Molto frequenti
- Comprendono vari tipi di malformazioni congenite e
malattie frequenti dell’adulto
- Modalità di trasmissione difficilmente riconoscibile
- Interazione con l’ambiente
- Basi molecolari e meccanismo patogenetico sconosciuti
nella maggioranza dei casi
- Predisposizione a sviluppare determinate patologie
ESEMPI DI MALATTIE MULTIFATTORIALI
- Diabete Mellito
- Ipertensione
- Labbro Leporino
- Malattia Coronarica
MALATTIE GENETICHE DA DIFETTO
DELLE CELLULE SOMATICHE
- Colpiscono di solito un unico tipo cellulare
- Sono dovute in molti casi a una mutazione
ereditata attraverso le cellule germinali
(predisposizione) + una mutazione nelle cellule
somatiche (“second hit”)
ESEMPI :
- Vari tipi di cancro
MALATTIE MITOCONDRIALI
- Sono dovute a mutazioni del genoma
mitocondriale
- Sono trasmesse esclusivamente per via materna
ESEMPI :
- Atrofia Ottica di Leber
- Epilessia Mioclonica
RUOLO DELLA GENETICA IN MEDICINA (1)
DIAGNOSI :
- Prenatale
- Postnatale (Pre- o Post-sintomatica)
- Di predisposizione
- Screening di popolazione
PREVENZIONE :
- Consulenza genetica
- Interruzione di gravidanza
- Prevenzione dei sintomi
RUOLO DELLA GENETICA IN MEDICINA (2)
TERAPIA :
- Terapia farmacologica
- Terapia genica
ALTRI :
- Produzione di farmaci mediante
tecniche di DNA ricombinante
- Identificazione di agenti infettivi
- etc...
Difetti membrana
Plasmatica
Fibrosi cistica
OMIM 219700
Cystic fibrosis transmembrane
conductance regulator (CFTR)
functions as a chloride channel
and controls the regulation of other
transport pathways. Mutations
in the CFTR gene have been found
to cause cystic fibrosis
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/
Tay-Sachs
OMIM-272800
Tay-Sachs disease is
caused by mutation in the
alpha subunit of the
hexosaminidase A gene . Is an
autosomal recessive,
progressive neurodegene
rative disorder which,
in the classic infantile
form, is usually fatal
by age 2 or 3 years.
Malattia di Pompe
OMIM 232300
Glycogen storage disease II,
an autosomal recessive
disorder, is the prototypic
lysosomal storage disease.
In the classic infantile form
(Pompe disease),
cardiomyopathy and muscular
hypotonia are the cardinal features
Sindrome di Menks:
OMIM 309400
Menkes disease is caused by
mutation in the gene
encoding Cu(2+)-transporting
ATPase, alpha polypeptide
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?CMD=search&DB=omim
Anti-senso RNA
..ma,siRNAs
miRNA….oma
NAT..toma
Farmacogenoma
?METABOLOMA?
• Noi siamo i nostri geni?
(il genoma)
• geni espressi (il trascrittom
• il trascrittoma e l’ambiente
GATTACA
1970, 20 anni prima
http://www.torinoscienza.it/img/pd
f/it/s10/00/0000/00000001.pdf
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http://www.torinoscienza.it/img/pdf/it/s10/00/0000/00000001.pdf
Il Progetto Genoma Umano
Indice
1 Che cos'e il genoma? 2
1.1 Il sequenziamento . . . . . . . . 3
1.1.1 La tecnica del sequenziamento
...........4
1.2 Le unita di misura . . . . . . . . 5
2 Le nalita del PGU 5
3 La storia del Progetto 6
4 L'organizzazione - HUGO 7
5 I progetti ancillari 8
5.1 Variabilita genetica di popolazione
..............8
5.2 Il sequenziamento di altri genomi 9
6 Dove si trovano i risultati? 9
6.1 La gene bank . . . . . . . . . . . 9
6.2 I siti web . . . . . . . . . . . . . 10
7 Questioni bioetiche e aspetti commerciali
10
7.1 A chi appartiene il genoma
umano? . . . . . . . . . . . . . . 10
7.2 Un Un ritorno dell'eugenetica? . .
1990-2001
Human Genome
Sequenced!
Clinton and Blair
C. Venter
Celera Genomis,
Human Genome Science
Cromosoma e creazione di
organismo artificiale
F.Collins
The Human Genome Project
Whitehead Institute, Center for Genome Research, Cambridge, MA
Approccio a colpo da fucile a canna
“shotgun”
SANGER METODO DELLA TERMINAZIONE
Dideoxy chain TERMINATOR
The work for his second Nobel Prize
awarded in 1980) was developing the technique
still used today - 'dideoxy' or 'Sanger' sequencing
In 1958 he was awarded the Nobel Prize
for his work in “sequencing proteins”
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PROTEINA
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Genomi sequenziati:
Lievito 6000 geni- 12 mil. coppie di basi
C.Elegans 20000 geni-97.mil cp (1998)
Arabidopsis Taliana,25.000geni-120
mil.cp (2000)
Topo 30.000geni- 3,2 mil. cp (2002)
Uomo 25.000 geni-3 miliardi cp (2003)
Drosophila 13.600 geni,165 mil.cp
(2000)
E.coli 4300 geni, 4,6 mil.cp (1997)
The Human Genome Project
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The International Human Genome Sequencing Consortium published
their results in Nature, 409 (6822): 860-921, 2001
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Celera Genomics published their results in Science, 291 (5507): 13041351, 2001
Progetto Genoma Umano 1990 -2003
The Human Genome Project
medicine and the new genetics:
anticipated benefits……!
• improved diagnosis of disease
• earlier detection of genetic predispositions to disease
• rational drug design
• gene therapy and control systems for drugs
• personalized, custom drugs
?
Sindrome di Melas
OMIM-540000
MITOCHONDRIAL MYOPATHY
Sindrome di kearn-Sayre
OMIM 530000
mtDNA deletions in muscle of 3 patients with KSS
DEGENERATION OF RETINAAND
CARDIOMYOPATHY
Le funzioni del mitocondrio
Il mitocondrio è in grado di svolgere molteplici funzioni.
La più importante tra esse consiste nell'estrarre energia dai substrati organici
che gli arrivano per produrre un gradiente ionico che
viene sfruttato per produrre ATP.
Gli altri processi in cui il mitocondrio interviene sono:
1) l'apoptosi e la morte neuronale da tossicità da glutammato,
2) regolazione del ciclo cellulare,
3) regolazione dello stato redox della cellula,
4) sintesi dell'eme,
5) sintesi del colesterolo,
6) produzione di calore.
La produzione di energia
utilizzando i principali prodotti della glicolisi: il piruvato ed il NADH.
Essi vengono sfruttati in due processi:
il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.
Mitocondrio….
mtDNA
16569 coppie di basi
e possiede 37 geni
Genoma umano mitocondriale
16.572 bp
Trascrizione intragenica
Mitocondrio
umano
COX1
COX2
COX3
Evoluzione
Tecniche Forensiche
Stupri, Racz attacca Loyos
"Sta coprendo altri due romeni
stupro della Caffarella
Tecniche forensi
PCR e SEQUENZA
su geni mitocondriali
e microsatelliti…..
CARATTERISTICHE dell’ mtDNA
• POLIPLASMIA
• ETEROPLASMIA
• EFFETTO SOGLIA
• SEGREGAZIONE MITOTICA
• EREDITÀ MATERNA
POLIPLASMIA
In ogni cellula sono presenti molti mitocondri ed ogni mitocondrio
contiene multiple copia del suo genoma (eccetto piastrine e ovulo non
fertilizzato) → migliaia di copie mtDNA / cell.
Durante la divisione cellulare i mitocondri vengono distribuiti
casualmente alle cellule figlie e quindi la genetica mitocondriale è più
simile alla genetica di popolazione che alla genetica mendeliana.
ETEROPLASMIA
In tessuti normali tutte le copie di mtDNA sono identiche → omoplasmia.
Nel caso di una mutazione del mtDNA questa può colpire tutte le copie
oppure essere presente solo in una percentuale di genomi → eteroplasmia.
Generalmente i polimorfismi neutrali sono omoplasmici mentre la maggior
parte delle mutazioni-malattia sono eteroplasmiche → eteroplasmia
cellulare o mitocondriale?
EFFETTO SOGLIA
L’espressione clinica delle mutazioni del mtDNA è
determinata dalla relativa proporzione wild type / mutato in
un determinato tessuto; è necessario un numero minimo di
copie per danneggiare il metabolismo energetico di un
determinato organo o tessuto (valore relativo e non assoluto)
(SNC, cuore, muscolo, rene e ghiandole esocrine) (bilancio
energetico).
SEGREGAZIONE MITOTICA
Durante la divisione cellulare la proporzione di genomi
mutati può variare per deriva nelle cellule figlie, con
conseguente cambiamento fenotipico.
EREDITÀ MATERNA
Virtualmente tutti i mitocondri dello zigote derivano dall’oocita e perciò la
modalità di trasmissione delle mutazioni mt differisce dalla trasmissione
mendeliana classica:
madre portatrice → trasmissione a tutta la progenie, ma solo le figlie femmine
possono trasmettere la mutazione ai loro figli.
Eteroplasmia + effetto dose → eccezioni fenotipiche all’eredità matrilineare.
Malattie MITOCONDRIALI
http://www.webalice.it/prati_50/malattiemito.htm
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Malattia Di Alpers - Polidistrofia cerebrale progressiva infantile. Sindrome Di Barth - Cardiomiopatia Infantile Mortale.
Mancanza Della Carnitina: Malattie con disturbo della demolizione degli acidi grassi - Codice di esenzione: RCG070 Carenza della CPT (carnitin-palmitin-trasferasi)
Mancanza Del Complesso I - carenza di NADH deidrogenasi (NADH-CoQ riduttasi).
Mancanza Del Complesso II - Carenza di succinato deidrogenasi.
Mancanza Del Complesso III - Carenza di Ubiquinone-citocromo c ossidoriduttasi.
Mancanza Del Complesso IV/Mancanza Del Cox –
Mancanza Complessa Di V - Mancanza del Trifosfato di adenosina Synthase:Sindrome della oftalmoplegia esterna progressiva cronica.
CPEO - Sindrome Esterna Progressiva Cronica Di Oftalmoplegia: Eredità mendeliana - materna - sporadica .
MELAS - Codice di esenzione: RN0710 KSS - sindrome di Kearns-Sayre (spodadica) - Codice di esenzione: RF0020 NARP Inizio: Infanzia - eredità materna Codice di esenzione: RF0030
MILS - Sindrome di Leigh ereditata per via matrilineare Codice di esenzione: RF0030
MERFF - Epilessia mioclonica, con le fibre ragged-rosse - Eredità materna o sporadica - Codice di esenzione: RF0020 Sindrome di Pearson: Eredità sporadica - Inizio: Infanzia - Codice di esenzione: RN1600 MDS La sindrome da deplezione del DNA mitocondriale - Codice di esenzione: RN0710 MNGIE : - Codice di esenzione: RN0710 Mancanza di CPT I
Mancanza di CPT II
Acidosi lattica :
LCAD - Mancanza A catena lunga Della Deidrogenasi Dell'Acilico-CoA
Sindrome di Leigh: da http://www.telethon.it/
Codice di esenzione: RF0030
LHON
La neuropatia ottica ereditaria di Leber (LHON)
Malattia Di Luft : Sintomi: Ipermetabolismo,
Mancanza Della Carbossilasi Del Piruvato :
Mancanza Della Deidrogenasi Del Piruvato :
Malattia di Alzheimer: il cinque per cento circa dei malati anziani presenta la stessa mutazione del DNA mitocondriale
La sindrome da deplezione del DNA mitocondriale (MDS)
STOP