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studio di singoli geni, tramite il loro effetto fenotipico, e delle modalità di trasmissione in famiglie e nelle popolazioni studio dei geni, della struttura molecolare, delle funzioni e delle loro interazioni con il patrimonio genico e con i fattori ambientali Rilevanza clinica delle malattie genetiche • circa il 25% di tutti i pazienti in età pediatrica manifestano problemi associati a malattie genetiche/ereditarie • alcune malattie ereditarie si manifestano molto tempo dopo la nascita (vengono chiamate “ad esordio tardivo”, per esempio il morbo di Alzheimer, la malattia di Huntington) • alcune malattie ereditarie sono molto più frequenti in alcune popolazioni (per esempio: la fibrosi cistica tra gli Europei, l’anemia falciforme nel Mediterraneo ed in Africa, il Tay­Sachs negli Ebrei askenaziti) Malattie genetiche •Non tutte le malattie genetiche sono ereditarie •Non tutte le malattie genetiche ereditarie sono congenite •Non tutte le malattie congenite sono ereditarie Tumori malattie genetiche NON ereditarie Corea di Huntington malattie genetiche ereditarie NON congenite Coroido­retinite necrotizzante Cataratta congenita rosolia malattie congenite NON genetiche Idrocefalo congenito toxoplasmosi Malattie genetiche •Geniche semplici (monofattoriali) •Geniche complesse (poligeniche o polifattoriali) •Cromosomiche malattie geniche semplici (monofattoriali) •Ereditarie •Modalità di trasmissione mendeliana Il DNA è presente in due sedi: nel nucleo e nei mitocondri Cromosomi: autosomici sessuali (X) Trasmissione mendeliana classica Trasmissione non classica E r e d it a r ie t à m e n d e lia n a c la s s ic a • • a u t o s o m ic a v s . X ­ lin k e d d o m in a n t e v s . r e c e s s iv a Malattie Autosomiche Dominanti I 1 2 3 4 II 1 2 1 2 3 4 5 6 7 8 III 3 4 5 6 7 8 Malattie Autosomiche Dominanti • Gli eterozigoti per un allele mutante sono affetti • Individui affetti in generazioni multiple • Affetti in ugual misura maschi e femmine • Rischio di ricorrenza 50% • Possibilità di nuove mutazioni Malattie Autosomiche Recessive Fibrosi Cistica Fibrosi Cistica Fibrosi Cistica Fibrosi Cistica Sordità, AR Sordità, AR Malattie Autosomiche Recessive • • • • • Richiedono due copie dell’ allele mutante Gli eterozigoti sono portatori sani (“carriers”) Individui affetti di solito in una sola generazione Affetti in ugual misura maschi e femmine Rischio di ricorrenza 25% Malattie X­linked recessive Daltonismo Da nonno a nipote attraverso le femmine M a la t t ie X ­ lin k e d r e c e s s iv e • Trasmissione da madri “carrier” a figli maschi • Tutte le figlie di maschi affetti sono “carriers” • Penetranza e espressività nelle femmine influenzata dall’inattivazione della X • 1/3 dei caratteri genetici letali, nuove mutazioni Rachitismo Vit D resistente Malattie X­linked recessive Rachitismo Vit D resistente Malattie X­linked recessive M a la t t ie X ­ lin k e d d o m in a n t i • Trasmissione da femmine a figli di entrambi I sessi • Tutte le figlie di maschi affetti sono affette • Penetranza e espressività nelle femmine influenzata dall’inattivazione della X G e n o t ip o v s . F e n o t ip o • Una mutazione, una malattia anemia “sickle cell”, acondroplasia • Molte mutazioni, una malattia fibrosi cistica: sufficienza pancreatica età alla diagnosi concentrazione del Cl nel sudore • Mutazioni diverse, malattie differenti RET proto­oncogene: malattia di Hirschsprung vs. sindromi cancerose • Geni multipli, una malattia cancro non­poliposico del colon (diversi geni) Fattori di complicazione-1 Penetranza: frequenza (probabilità) che un genotipo esprima il fenotipo (clinico) – la penetranza incompleta di un carattere si manifesta in una proporzione di figli affetti minore di quella attesa dalle proporzioni mendeliane (comunemente il 50% e 25% nei casi di caratteri autosomici rispettivamente dominanti e recessivi) – molte malattie autosomiche dominanti sono a penetranza incompleta: vengono all’osservazione come fenotipi che saltano una generazione – si esprime come una percentuale o una frazione di uno Esempio: Ritardo mentale da sindrome dell’X fragile: penetranza del 80% (8 su 10 con il genotipo della malattia esprimono il fenotipo) Penetranza incompleta, AD Espressività: gravità del fenotipo a parità di genotipo – individui differenti, pur avendo lo stesso genotipo, possono essere affetti in misura più o meno grave Esempio: la Neurofibromatosi 1 si può manifestare solo con chiazze caffè latte, neurofibromi multipli, neurofibromi plessiformi o tumori cerebrali Pleiotropia: un gene si manifesta con una varietà di effetti fenotipici – anomalie morfologiche, biochimiche, fisiologiche, o cliniche multiple Esempio: la sindrome di Marfan, si manifesta con un ampio spettro di gravità clinica: difetti a carico dello scheletro, del cuore e degli occhi Infatti la S. di Marfan è un disordine del connettivo ed essendo questo tessuto diffuso in tutto l’organismo, possono risultare affetti ossa, legamenti, occhio cuore a grandi vasi. Se ad essere interessata è l’aorta, la malattia può assumere un decorso fatale. Eterogeneità genica: lo stesso fenotipo causato da mutazioni in geni diversi – mutazioni in geni che codificano per diverse unità o subunità di una proteina, o per proteine che interagiscono con altre proteine, o che agiscono a stadi diversi di un processo metabolico Esempio: Osteogenesis Imperfecta (OI), La tripla elica del collagene di tipo I è formata da 2 catene α1 (codificate sul cromosoma 17) e 1 catena α2 (codificata sul cromosoma 7). Mutazioni nei geni che modificano la produzione o la struttura di queste catene danno luogo a diversi tipi clinici di OI. Eterozigosi composta: fenotipo causato da eterozigosi per mutazioni diverse nello stesso gene - Esempio: Emocromatosi (HFE) più spesso sostenuta dalla mutazione C282Y, con decorso severo senza terapia, può anche essere dovuta ad eterozigosi composta per C282Y/H63D: in tal caso l’espressione è lieve e a bassa penetranza Manifestazione tardiva: gene mutato presente nel genoma ma con manifestazione in età avanzata - Esempio: Corea di Huntington, malattia neurodegenerativa a lenta ma inesorabile progressione che inizia a manifestarsi mediamente attorno alla 4° decade di vita pur essendo autosomica dominante Anticipazione: il gene mutato, che di norma si manifesta in età avanzata, tende ad anticipare la sua manifestazione con il passare delle generazioni - Esempio: Corea di Huntington, tipica condizione che presenta anticipazione* soprattutto se a trasmetterla è il padre. *Vedremo come questo fenomeno abbia una ben precisa base molecolare Geni modificatori geni che influenzano* l’espressione di altri geni. - Esempio: il carattere “fossetta” delle guance o del mento è ereditato come carattere autosomico dominante ma è sotto l’effetto di un gene modificatore che ne condiziona l’espressione. Il carattere si manifesta solo in opportuni genotipi. Se M è il gene modificatore dominante e C è il gene per la fossetta, vi saranno solo tre genotipi compatibili con la manifestazione del carattere. * v. penetranza MC Mc mC mc MC MMCC MMCc MmCC MmCc Mc MMCc MMcc MmCc Mmcc mC MmCC MmCc mmCC mmCc mc MmCc Mmcc mmCc mmcc “Genomic imprinting” Rappresenta un’altra modalità di controllo epigenetico dell’espressione genica e gioca un ruolo fondamentale nello sviluppo animale e vegetale, dove è essenziale ottenere una stabile repressione di geni in specifiche cellule e in epoche ben definite dello sviluppo. Si dicono soggetti ad “imprinting” quei geni la cui espressione dipende dal fatto che siano ereditati del padre o dalla madre. Negli ultimi anni è divenuto chiaro che l’effetto “silenziamento” dei geni sottoposti ad “imprinting” è per la maggior parte dovuto alla metilazione del DNA. Gli alleli materni e paterni dei loci “imprinted” possiedono regioni caratterizzate da una metilazione differenziale (differentially methylated regions' - DMRs), dove l’allele non espresso generalmente è maggiormente metilato. metile L’imprinting è essenziale per il normale sviluppo dei mammiferi ed è ora noto che rappresenta un fattore determinante per un crescente numero di malattie e neoplasie. Per un normale sviluppo o per una fisiologica funzione i geni “imprinted” devono essere espressi come segue: Se questo meccanismo viene alterato in modo che sia rappresentato solo l’allele materno o quello paterno, si manifesta una patologia. Al momento sono noti almeno una cinquantina di geni sottoposti ad imprinting sia nell’uomo che nel topo, la cui errata trascrizione determina patologie più o meno severe. -Esempio: nell’uomo la regione 15q11-13 è sottoposta ad imprinting. In caso di delezione* della regione, si avrà la Sindrome di Prader-Willi (PWS) oppure la Sindrome di Angelman (AS) a seconda della provenienza materna o paterna dell’unico allele allele solo paterno allele solo materno Prader-Willi * Delezione = perdita (v. oltre) Angelman Disomia uniparentale (UPD)* Nel caso in cui vi siano due copie dell’allele materno e l’assenza del trascritto paterno (assenza degli alleli paterni), ci si trova di fronte alla disomia uniparentale materna. Nel caso in cui siano assenti gli alleli materni e vi sia doppia dose dell’allele paterno si avrà la disomia uniparentale paterna, in entrambi i casi si avrà una iperespressione degli alleli attivi con conseguenze patologiche simili a quelle determinate da difettoso “imprinting”. -Esempio: per quanto riguarda la regione 15q11-13, la PWS per UPD materna e la AS per l’UPD paterna (2030% dei casi) . *tre possibili meccanismi (v. oltre) UPD Meccanismi: •Perdita di un cromosoma da parte di uno zigote trisomico ("trisomic rescue“). •Duplicazione di un cromosoma in uno zigote monosomico ("monosomic rescue“). •Fecondazione di un gamete con due copie di un cromosoma da parte di un gamete privo di quel cromosoma (“gamete complementation”). Tutti questi meccanismi richiedono due errori consecutivi. • “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi I zigote trisomico Cromosomi giallo e blu di origine materna, verde di origine paterna rescue Tre possibilità: •Il cromosoma giallo può venire perso, lasciando quello blu (materno) e quello verde (paterno), Normale •Il cromosoma blu può venire perso, lasciando quello giallo (materno) e quello verde (paterno), Normale, oppure •Il cromosoma verde può venire perso , lasciando quello giallo (materno) e quello blu (materno), UPD* • “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi I zigote trisomico Cromosomi giallo e blu di origine materna, verde di origine paterna Tre possibilità: rescue Disomia uniparentale materna monosomia •Il cromosoma giallo può venire perso, lasciando quello blu (materno) e quello verde (paterno), Normale •Il cromosoma blu può venire perso, lasciando quello giallo (materno) e quello verde (paterno), Normale, oppure •Il cromosoma verde può venire perso , lasciando quello giallo (materno) e quello blu (materno), UPD* • “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi I zigote trisomico Cromosomi giallo e blu di origine materna, verde di origine paterna Tre possibilità: rescue Disomia uniparentale materna monosomia •Il cromosoma giallo può venire perso, lasciando quello blu (materno) e quello verde (paterno), Normale •Il cromosoma blu può venire perso, lasciando quello giallo (materno) e quello verde (paterno), Normale, oppure •Il cromosoma verde può venire perso , lasciando quello giallo (materno) e quello blu (materno), UPD* * In questo caso si parla di eterodisomia uniparentale • “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi II. zigote trisomico Cromosomi blu di origine materna, verde di origine paterna • “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi II. zigote trisomico Cromosomi blu di origine materna, verde di origine paterna rescue Disomia uniparentale materna Tre possibilità, di cui due identiche: monosomia •2 volte un cromosoma blu può venire perso, lasciando un blu (materno) e quello verde (paterno), Normale. •Il cromosoma verde può venire perso, lasciando i due blu (materni), UPD* • “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi II. zigote trisomico Cromosomi blu di origine materna, verde di origine paterna rescue Disomia uniparentale materna Tre possibilità, di cui due identiche: monosomia •2 volte un cromosoma blu può venire perso, lasciando un blu (materno) e quello verde (paterno), Normale. •Il cromosoma verde può venire perso, lasciando i due blu (materni), UPD* * In questo caso si parla di isodisomia uniparentale Mosaico definizione: contemporanea presenza di due (o più) linee cellulari con diverso patrimonio genetico nello stesso individuo mosaico Cellula indifferenziata (embrionale) Linea germinale Linea somatica M Mosaicismo germinale Mosaicismo germinale AD Cellula indifferenziata (embrionale) Linea germinale Linea somatica M Mosaicismo somatico Linee di Blaschko Eredit ariet à mendeliana classica • • Eredit à mit ocondriale Pat ologia da DN A repeat s non Eredit ariet à Non- Mendeliana : il Genoma Mit ocondriale •Ereditarietà strettamente materna •Elevato numero di copie di mtDNA nella maggior parte delle cellule •La maggior parte delle copie identiche: omoplasmia •Mutazioni ritrovate solo in alcune copie: eteroplasmia •Disordini dei tessuti fortemente dipendenti dalla fosforilazione ossidativa (cuore, muscoli scheletrici, SNC) •Variabilità clinica dovuta all’eteroplasmia nei tessuti bersaglio •Esempi: neuropatia ottica ereditaria di Leber •Encefalomiopatia mitocondriale con “ragged-red muscle fibers” (MERRF) Eredità mitocondriale Atrofia nervo ottico di Leber Patologia da “DNA repeats” Malattie associate ad espansioni ripetute di trinucleotidi NB = Mutazioni instabili o dinamiche Patologia da “DNA repeats” Le espansioni ripetute di trinucleotidi interferiscono con l’espressione del gene o della proteina codificata Patologia da “DNA repeats” Le espansioni ripetute di trinucleotidi interferiscono con l’espressione del gene o della proteina codificata Patologia da “DNA repeats” Le espansioni ripetute di trinucleotidi interferiscono con l’espressione del gene o della proteina codificata Patologia da “DNA repeats” Le espansioni ripetute di trinucleotidi interferiscono con l’espressione del gene o della proteina codificata Mutazione instabile o dinamica Il numero di triplette è soggetto a “espansione”, cioè ad aumentare con il passare delle generazioni •Premutazione (fenotipo normale) •mutazione piena Es. Sindrome X fragile (FRAX o Sindrome di Martin-Bell) La più comune causa di ritardo mentale dopo la Sindrome di Down Numero normale di alleli: ~ 20-40 (stabili) Numero intermedio: premutazione ~55-200, (instabili): possono espandersi fino a mutazione piena (>200) solo se trasmessi per via materna
