L'EREDITARIETA’2
Lezione 11
By NA
Ancora complicazioni: Insorgenza tardiva
il fenotipo puo’ comparire in eta’ avanzata
il fenotipo non e’ congenito pur essendo ereditario
CONGENITO : presente alla nascita
dal punto di vista genetico raramente questi fenotipi sono
dovuti a nuove mutazioni
a livello di popolazione l’allele mutato puo’ essere frequente
purche’ l’ insorgenza si verifichi dopo l’inizio dell’eta’ riproduttiva e
non limiti la fitness
FITNESS: IDONEITA’ BIOLOGICA,
By NA
piu’ semplicemente : numero di figli
Insorgenza tardiva
By NA
Anticipazione
alcuni fenotipi a trasmissione autosomica dominante
diventano piu’ gravi nelle generazioni successive perche?
espansione di triplette: tipo di mutazione
individuata nel 1990
Corea di Hunghinton, X fragile, Distrofia Miotonica
premutazione : stato che aumenta il rischio di trasmettere
il fenotipo patologico. Il rischio non e’ piu’ quantizzabile in
termini probabilistici
By NA
Mutazione
completa,
range di
mutazione
Premutazione
Normale
Schema di mutazioni
dinamiche
CGG 1000
GAA900
CTG 3000
CGG
GAA
CTG
CGG
280
CGG
CGG
CGG 200
CGG
CGG
CGG
CGG
GAA
GAA
GAA
6
Mutazione
completa,
range di
mutazione
CAG 121
Premutazione
CAG 35
esone
GAA
CAG
CAG
CAG
CAG
CAG
Atassia di
Friedrich
CTG
CTG
CTG
CTG 50
CTG
CTG
CTG 37
CTG
CTG
Distrofia
miotonica
CGG
CGG
49
CGG 25
CGG
10
CGG
CGG
Esone ORF
3
introne esone 3’UTR
esone
CGG 75
36
Corea di Huntington
200
7
introne
CAG
CAG
CTG
GAA 22
GAA
52
X-fragile
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GAA
GAA
GAA
CGG 60
CGG
5’UTR
Normale
GAA
7
Atassia spinocerebellare 1
Mutazioni dinamiche – effetto fondatore
Dal momento che le ripetizioni del range di normalità NON aumentano di
numero dopo replicazione, da dove sono nati gli alleli instabili?
EFFETTO FONDATORE: Eccezionalmente, in uno o pochi individui, si sono
verificati degli errori nella trascrizione, producendo degli alleli con un
numero di ripetizioni aumentato, che sono stati ereditati nelle successive
generazioni, producendo un pool di alleli instabili presenti oggi nella
popolazione
Per molte delle mutazioni dinamiche l’effetto fondatore è stato dimostrato
Questo effetto fondatore si riconosce anche nell’assenza o maggior
frequenza di alcune di queste patologie in certe aree geografiche
By NA
Mutazioni dinamiche meccanismo
dell’instabilità
Perché oltre una certa lunghezza compare il fenomeno dell’instabilità?
La presenza di un aumentato numero di ripetizioni provoca, nel DNA, la
formazione di strutture alternative, assenti quando il numero di
ripetizioni è nel range di normalità
Queste strutture causano problemi sia nei processi di trascrizione
(slippage della polimerasi), sia probabilmente nei meccanismi di
riparazione del DNA
La conseguenza ultima è la tendenza all’incremento numerico delle
ripetizioni dopo replicazione (sia mitotica che meiotica!)
Per lo stesso principio, sono possibili anche le contrazioni di ripetizioni,
ma per la maggior parte delle patologie le espansioni sono favorite
By NA
Mutazioni dinamiche
strutture alternative del DNA
By NA
Mutazioni dinamiche
espansioni e contrazioni
By NA
Mutazioni dinamiche
principi generali delle mutazioni dinamiche
INSTABILITÀ MITOTICA: determina la presenza di
espansioni di grandezze differenti all’interno dello
stesso tessuto e tra tessuti differenti. Produce
dunque un mosaicismo tissutale
INSTABILITÀ MEIOTICA: determina la
trasmissione alle generazioni successive di una
espansione di diversa ampiezza. E’ alla base del
meccanismo dell’anticipazione
TRASMISSIONE PATERNA O MATERNA: in alcune
patologie, si possono avere espansioni o contrazioni
del numero di ripetizioni a seconda che l’allele
mutato sia trasmesso dal padre o dalla madre
By NA
Mutazioni dinamiche
Localizzazione delle espansioni
Perché un aumento nel numero di sequenze ripetute causa una patologia?
Esistono differenti meccanismi molecolari alla base delle diverse patologie
By NA
Mutazioni dinamiche
Classificazione molecolare
Espansioni in porzioni codificanti (esoniche) del gene:
• Poliglutamine (Corea di Huntington, malattia di
Kennedy, SCAs)
• Polialanine (Oloprosencefalia, sinpolidattilia, handfoot-genital syndrome)
Espansioni in porzioni non codificanti del gene:
• Promotore (Epilessia progressiva mioclonica)
• 5’-UTR (Sindrome dell’X-fragile, SCA12)
• Introne (Atassia di Friedrich, Distrofia miotonica di
tipo 2)
• 3’-UTR (Distrofia miotonica di tipo 1, SCA8)
By NA
Mutazioni dinamiche
Sindrome dell’X fragile
By NA
Paradosso di Sherman 1985
Sherman paradox:
solo l’80% dei maschi che
ricevono l’allele sono affetti
Le figlie di portatori dell’Xfragile sono più a rischio di
avere figli con ritardo
mentale rispetto alle proprie
nonne (effetto di posizione
nell’albero genealogico)
La malattia non appare però
completamente come
dominante o recessiva,
esistendo maschi sani con il
sito fragile e femmine
affette con un unico sito
fragile
...... the first mutation caused a “premutation”
state that produced no clinical symptoms, and that
a second mutation was required to convert the
premutation to a “full mutation” form that was
associated with the characteristic symptoms
Di qui l’ipotesi che qualcosa nel gene sia cambiato durante le generazioni.
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La mutazione è dinamica
Mutazioni dinamiche – Sindrome dell’X fragile
Come si spiega il paradosso di Sherman?
La sindrome dell’X-fragile è stata la prima patologia da espansione di
triplette riconosciuta (1991).
Il gene responsabile è FMR1 che mappa sul cromosoma Xq27.3
La tripletta responsabile è CGG, situata nella porzione 5’-UTR
L’espansione di questa tripletta è causa del 99% dei casi di FRAXA
Valori normali: < 44 repeats
Gray zone: 45-54 repeats
Premutazione : 55-200 repeats
Mutazione: > 200 repeats
By NA
Mutazioni dinamiche – Sindrome dell’X fragile
By
Soluzione del paradosso di Sherman:
Nel passaggio da una generazione all’altra, soprattutto per trasmissione
materna, il numero di triplette tende ad aumentare > normalmente, i
maschi figli di portatrici avranno un numero di triplette più elevato
rispetto alle madri
Oltre le 200 ripetizioni: affetti
Inferiore a 200 ripetizioni : clinicamente sani
Se l’aumento resta nell’ambito della premutazione, i maschi che ricevono
l’allele premutato lo trasmetteranno mediamente invariato alle figlie
Le loro figlie avranno quindi un numero maggiore di ripetizioni rispetto
alle nonne >aumentato rischio di salto oltre le 200 ripetizioni =
aumentato rischio di figli con ritardo mentale rispetto alle nonne (effetto
di posizione nell’albero genealogico)
Oggi possiamo quantificare meglio il rischio di avere un figlio con ritardo
mentale:
Triplette inferiori a 55: rischio pari a 0
Triplette superiori a 100: rischio pari al 100%
NAValori intermedi: il rischio cresce esponenzialmente
Mutazioni dinamiche – Sindrome dell’X fragile
Come nella distrofia miotonica,
l’espansione è localizzata in una
porzione del gene non tradotta
Diversamente da questa e’ una
patologia da silenziamento genico
perche’
Il gene e’ composto di 17 esoni ed
e’ lungo 38 Kb.All’interno del
primo esone al 5’UTR e’ presente
una serie di CGG.Nella popolazione
questa regione e’ polimorfica:
varia da 7 a 52 ripetizioni: l’allele
piu’ comune e’ quello di 30
(effetto fondatore).
Quando il numero delle triplette
supera 230 l’intera regione viene
ipermetilata aggiungendo un gruppo
metilico a C su entrambe le eliche
il promotore del gene viene inattivato e FRM1 diviene silente
By NA
e la cromatina non riesce a condensare correttamente
Mutazioni dinamiche – Sindrome dell’X fragile
riassumendo
La tripletta CGG si trova vicina al promotore del gene FMR1 in una
zona ricca di CpG islands
Un’espansione
oltre i 200 repeats causa il richiamo di specifiche
proteine che metilano le citosine del promotore del gene FMR1>
MODIFICA EPIGENETICA
La proteina FMRP è importante nello sviluppo neuronale e dei dendriti.
Se il gene è silenziato > APLOINSUFFICIENZA
Nei maschi, non si avrà alcun prodotto proteico (emizigoti) > affetti
Nelle femmine, il prodotto presente dipende da quale cromosoma X è
inattivato > affette se è maggiormente inattivo il cromosoma X normale,
altrimenti sane (mosaicismo di metilazione)
Ecco perché la frequenza delle femmine affette è minore
By NA
Mutazioni dinamiche – Sindrome dell’X fragile
riassumendo
Ridefininizione di mutazione patologica: è definita come full mutation,
corrisponde all’allele con oltre 200 triplette metilate
Casi particolari (rari):
Mosaicismo di lunghezza (normale/premutato; premutato/full 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 : mutazioni
puntiformi, delezione del gene
Perché i maschi affetti non hanno figlie affette?
I maschi con full mutation hanno solo premutazioni negli spermatozoi per
la selezione degli spermatozoi durante lo sviluppo embrionale
Di conseguenza, le figlie di maschi affetti saranno solo premutate e mai
full mutate
By NA
Mutazioni dinamiche – FMR1 related disorders
FMR1-related disorders
Il 20% delle donne con premutazione presenta Premature Ovarian
Failure (POF, esaurimento follicolare precoce)
Circa il 20% degli uomini con premutazione presenta Fragile X
ataxia/Tremor Syndrome (FXTAS), mentre è rarissima tra le donne
Il gene FMR1 presenta quindi ETEROGENEITÀ ALLELICA
NON sono patologie da aploinsufficienza : sono probabilmente patologie
RNA-mediate:Gli alleli premutati non solo non sono silenziati, ma presentano
anche un’aumentata trascrizione, per compensare il difetto di traduzione
degli alleli espansi accumulo di RNA
By NA
Mutazioni dinamiche – Corea di Huntington –
meccanismi 1
Meccanismo patogenetico principale: 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
guadagno di funzione ed effetto citotossico apoptosi e
degenerazione neuronale
Accanto a questo, ci sono altri meccanismi che
contribuiscono a determinare il fenotipo (danno
mitocondriale, alterazione della trascrizione di altri geni,
alterazione del trasporto assonale)
By NA
Mutazioni dinamiche – Corea di Huntington – meccanismi 2
By NA
Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 1 –
classificazione molecolare
Gene responsabile: l’espansione riguarda la tripletta da CTG e si
trova nella regione 3’UTR del gene DMPK che mappa sul cromosoma
19q13.3
Classificazione molecolare:
•5-36 repeats: alleli normali
•50-150 repeats: classe E1
•150-1000 repeats: classe E2
•1000 - >4000 repeats: classe E3
La forma congenita si manifesta in genere per espansioni di classe
E3, trasmesse per via materna.
Le espansioni trasmesse dal padre tendono ad essere più stabili
(presenza sia di espansioni, sia assenza di variazione, sia rare
contrazioni )
By NA
Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 1 pedigree
By NA
Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 2
Miopatia miotonica prossimale (PROMM), simile e
spesso indistinguibile a livello clinico dalla DM1
La sua frequenza non è chiara (1/50.000 circa)
Le differenze maggiori con la DM1 riguardano
• Presenza di una clinica globalmente più lieve
• Possibile presenza di crampi e algie, mai
presenti nella DM1
• Colpisce prima i muscoli prossimali
• Non è mai presente una forma congenita con
ritardo mentale
By NA
Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 2
La patologia è determinata da un’espansione di un tetranucleotide
CCTG, presente nel primo introne del gene ZNF9, che mappa in
posizione 3q21.3
Alleli normali: 11-26 repeats
Alleli mutati: 75-11.000 repeats (media: 5.000 repeats)
Nonostante il grandissimo numero di ripetizioni, non è possibile
effettuare una correlazione genotipo-fenotipo
La penetranza è completa e l’espressività è variabile
DM1 e DM2 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
By NA
Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica –
Patologia ad RNA
Perché una
mutazione in
una regione
non codificante
provoca una
patologia?
Patologia
dell’RNA
By NA
Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica –
Patogenesi
Il gene DMPK è trascritto in mRNA che deve essere traslocato dal
nucleo al citoplasma per essere processato
Se è presente l’espansione, questa sarà trascritta in RNA (CUG). In
seguito allo splicing dell’mRNA, il messaggero contenente la
ripetizione CUG forma degli aggregati resistenti alla distruzione che
rimangono intrappolati nel nucleo
Questi aggregati interferiscono con altre proteine nucleari
>guadagno di funzione
In particolare, gli aggregati (“foci”) di RNA sequestrano una classe
di proteine (MBNL1) e “spiazzano” una seconda famiglia di proteine
(CELF). Questi due tipi di proteine sono necessari per un corretto
assemblaggio dello spliceosoma
By NA
L’effetto finale è l’alterazione dello splicing di altri geni, con
conseguente alterazione funzionale di diversi pathways (effetto in
trans)
Eredità digenica
La malattia è dovuta all’effetto additivo di
mutazioni ETEROZIGOTI in loci diversi
Forma di retinite pigmentosa che si manifesta
in individui DOPPI ETEROZIGOTI per i geni ROM1 e
per la periferina (RDS) che codificano per i
fotorecettori. Le mutazioni in eterozigosi
separatamente non causano alcun fenotipo patologico
By NA
Eredità digenica pedigree
AFFETTO
ROM1+/RDS+/-
ROM1+/+
RDS+/+
By NA
ROM1+/RDS+/+
NON AFFETTO
ROM1+/+
RDS+/+
ROM1+/+
RDS+/-
ROM1+/RDS+/-
Eredità triallelica
Sindrome di Bardet –Biedl (BBS): sindrome dismorfica caratterizzata da
obesità, polidattilia, patologia renale, deficit cognitivo
Carattere autosomico recessivo, ma la condizione che si riscontra è quella di
due mutazioni in un locus ed eterozigote in un altro locus associato
XX X
X
XX
XX
X
XX
X XX
XX
X
X
XX
X XX
AFFETTI
By NA
BBS2 BBS4 BBS6
X
Mutazione
X
X
X
X
XX
………………
NON AFFETTI
Eredità triallelica pedigree
BBS6 wt/A242S
BSS2 wt/Y24X
BBS6 wt/A242S
BSS2 wt/wt
BBS6 wt/wt
BSS2 wt/Y24X
BBS6 wt/A242S
BSS2 Y24X/Y24X
AFFETTO
By NA
BBS6 wt/wt
BSS2 wt/Y24X
BBS6 wt/wt
BSS2 wt/wt
NON AFFETTO
BBS6 wt/147X
BSS2 wt/Q59X
BBS6 wt/147X
BBS6 wt/wt
BSS2 Y24X/Q59X BSS2 Y24X/Q59X
MECCANISMO BI/TRIALLELICA
B
A
D
x
D
A B
A B
C
A
x
A
B
x
B
legame meno
stabile
By NA
xx
B
Funzione
B
x
assenza del
fenotipo
x
A
A
C
B x
comparsa del
fenotipo
D
A
C
D
x
B x
A
C
