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Disordini genomici
Lezione 21
By NA
Genome Research 2000
Yonggang J, Evan E. Eichler, Stuart Schwartz, and Robert D. Nicholls
Structure of Chromosomal Duplicons and their Role in
Mediating Human Genomic Disorders
Genome Research Vol. 10, Issue 5, 597 -610, May 2000
Analysis of long stretches of available sequence from human chromosomes 22
and X suggest that 5% -10% of the genome may be duplicated (Mazzarella and
Schlessinger 1998; Dunham et al. 1999). Sequence homology between duplicated
DNA segments provides a chance for misalignment during meiosis, leading to
unequal exchange and chromosome rearrangement, by either inter - or
intrachromosomal or sister chromatid homologous recombination.
This process with divergence between duplicated segments
is essential to the generation of diversity and new genes
over evolutionary time, although the more typical, shortterm effect is genetic disease.
By N.A.
Trends in Genetics 2002
P.Stankiewicz and J.R.Lupski
Genome architecture , rearrangements and genomic
disorders
TRENDS in Genetics Vol. 18: 74 -82, 2002
Human Molecular Genetics 2004
By N.A.
Disordini Genomici
L ’instabilita ’di alcune regioni genomiche e ’dovuta alla presenza di low copy
repeats: duplicazioni segmentali/dupliconi
Il fenotipo clinico e’ conseguenza di alterato dosaggio genico di
un gene o piu’ localizzati all’interno di segmenti genomici
riarrangiati
All’origine ci possono essere :
la Non-Allelic Homologous Recombination: NAHR
By N.A.
Disordini Genomici NAHR
Dupliconi altamente omologhi
Regione contenente
almeno un gene
dosage sensitive
Ricombinazione omologa non allelica
cromosoma duplicato
cromosoma deleto
All’origine ci possono essere :
la Non Homologous End Joining: NHEJ
By N.A.
Disordini Genomici NHEJ
B
A
A
NN...NN
B
La presenza fra le due sequenze non omologhe di una sequenza TTTAAA
potrebbe causare la formazione di un loop che viene tagliata e ssostituito con
basi alternativi non corrispondenti alla sequenza originaria
By N.A.
Disordini Genomici
Possiamo classificarli sulla base del contenuto di geni sensibili
alla dose presenti nel segmento compreso fra i dupliconi che
vanno incontro alla NAHR
Disordini mendeliani: Un solo gene (piccoli riarrangiamenti)
Sindromi da geni contigui: piu’ geni sensibili alla dose
(riarrangiamenti piu’ ampi)
Sindromi cromosomiche : molti geni sensibili (riarrangiamenti
molto grandi)
By N.A.
Caratteri mendeliani I
Banter syndrome type III
Gaucher disease
Fam. juv. nephronophthisis
Spinal muscular atrophy
Cong adrenal hyperplasia (21 hydroxylase def.)
Glucocorticoid -remediable aldosteronism (GRA)
Beta -thalassemia
alfa -thalassemia
Polycystic kidney disease 1
Charcot -Marie -Tooth (CMT1A)
Her. neur. with liability to pressure palsies (HNPP)
Neurofibromatosis type 1 (NFl)
Pituitary dwarfism
CYP2D6 pharmacogenetic trait
Ichthyosis
Red -green color blindness
Incontinentia pigmenti
Hemophilia A
Emery -Dreifuss musc. dystr.
Hunter syndrome
By N.A.
AD 1p36
del 11kb
AR 1q21
del 16kb
AR 2q13
del 290kb
AR 5q13.2
inv/dup
AR 6p21.3
del
30kb
AD 8q21
dup 45kb
AR 11p15.5
del
AR 16p13.3
AD 16p13.3
AD 17p12
dup 1400kb
AD 17p12
del
idem
AD 17q11.2
del
1500kb
AR 17q23.3
del
6.7kb
AR 22q13.1 del/dup 9.3kb
XL Xp22.32
del
1900kb
XL Xq28
del
XL Xq28
del
10kb
XL Xq28
inv 300 -500kb
XL Xq28
del/dup/inv
48kb
XL Xq28
inv/del
20kb
CMT1A
24 Kb
98,7% di identita ’
1,4 Mb
PMP22
Cen
tel
PMP22
tel
CMT1A
Cen
PMP22
PMP22
tel
Cen
HNPP
Cen
JAll ’interno della regione sono stati
identificati almeno 6 -7 geni: solo uno e ’
dosage sensitive.
By N.A.
Caratteri mendeliani I
Banter syndrome type III
Gaucher disease
Fam. juv. nephronophthisis
Fascioscapulohumeral muscular dystrophy
Spinal muscular atrophy
Cong adrenal hyperplasia (21 hydroxylase def.)
Glucocorticoid -remediable aldosteronism (GRA)
Beta -thalassemia
alfa -thalassemia
Polycystic kidney disease 1
Charcot -Marie -Tooth (CMT1A)
Her. neur. with liability to pressure palsies (HNPP)
Neurofibromatosis type 1 (NFl)
Pituitary dwarfism
CYP2D6 pharmacogenetic trait
Ichthyosis
Red -green color blindness
Incontinentia pigmenti
Hemophilia A
Emery -Dreifuss musc. dystr.
Hunter syndrome
By N.A.
1p36
1q21
2q13
4q35
5q13.2
6p21.3
8q21
11p15.5
16p13.3
16p13.3
17p12
17p12
17q11.2
17q23.3
22q13.1
Xp22.32
Xq28
Xq28
Xq28
Xq28
Xq28
Haemophilia A (X-linked): Factor VIII
Sostituzioni nucleotidiche (missense / nonsense)
Sostituzioni nucleotidiche (splicing)
49
Sostituzioni nucleotidiche (regulatory)
0
Piccole delezioni
116
Piccole inserzioni
36
Piccole inserzioni/delezioni
5
Grandi delezioni
86
Grandi delezioni & duplicazioni 6
Riarrangiamenti complessi (incluse inversioni)
TOTAL
By N.A.
822
515
9
Inversione in Xq28 :Emofilia A
F8C
F8B
CpG
tel F8A F8A
Cen
F8A
1
22
23
26
F8A
F8A
F8A
F8C
tel
22
1
F8B
CpG
Cen
F8A F8A
F8A
By N.A.
23
26
Inversione in Xq28 :Emofilia A
Rossiter et al, 1994 Hum Mol Genet 3(7) 1035 -1039 :Factor VIII gene inversion
causing severe hemophilia A originates almost exclusively in male germ cells
The human X and Y pair at
early -mid pachytene as seen
in a silver nitrate stained EM
microspread preparation.
Solari, 1980
By N.A.
Caratteri mendeliani I
Banter syndrome type III
Gaucher disease
Fam. juv. nephronophthisis
Spinal muscular atrophy
Cong adrenal hyperplasia (21 hydroxylase def.)
Glucocorticoid -remediable aldosteronism (GRA)
Beta -thalassemia
alfa -thalassemia
Polycystic kidney disease 1
Charcot -Marie -Tooth (CMT1A)
Her. neur. with liability to pressure palsies (HNPP)
Neurofibromatosis type 1 (NFl)
Pituitary dwarfism
CYP2D6 pharmacogenetic trait
Ichthyosis
Red -green color blindness
Incontinentia pigmenti
Hemophilia A
Emery -Dreifuss musc. dystr.
Hunter syndrome
AD 1p36
del 11kb
AR 1q21
del 16kb
AR 2q13
del 290kb
AR 5q13.2
inv/dup
AR 6p21.3
del
30kb
AD 8q21
dup 45kb
AR 11p15.5
del
AR 16p13.3
AD 16p13.3
AD 17p12
dup 1400kb
AD 17p12
del
idem
AD 17q11.2
del
1500kb
AR 17q23.3
del
6.7kb
AR 22q13.1 del/dup 9.3kb
XL Xp22.32
del
1900kb
XL Xq28
del
XL Xq28
del
10kb
XL Xq28
inv 300 -500kb
XL Xq28
del/dup/inv
48kb
XL Xq28
inv/del
20kb
Caratteri mendeliani I
Spinal muscular atrophy(SMA)
Fenotipo autosomico recessivo letale,1/10.000 nati vivi. In circa il 18% dei casi
e’associato ad un riarrangiamento di una regione di ~500kb in 5q13
Sindrome di Hunter
Fenotipo X -linked recessivo, dovuto a mutazioni del gene IDS (Xq28).Nel
20% dei casi la mutazione e ’dovuta a ricombinazione fra IDS e un suo
pseudogene localizzato 90Kb a valle.
Caratteri mendeliani I
Banter syndrome type III
Gaucher disease
Fam. juv. nephronophthisis
Spinal muscular atrophy
Cong adrenal hyperplasia (21 hydroxylase def.)
Glucocorticoid -remediable aldosteronism (GRA)
Beta -thalassemia
alfa -thalassemia
Polycystic kidney disease 1
Charcot -Marie -Tooth (CMT1A)
Her. neur. with liability to pressure palsies (HNPP)
Neurofibromatosis type 1 (NFl)
Pituitary dwarfism
CYP2D6 pharmacogenetic trait
Ichthyosis
Red -green color blindness
Incontinentia pigmenti
Hemophilia A
Emery -Dreifuss musc. dystr.
Hunter syndrome
AD 1p36
del 11kb
AR 1q21
del 16kb
AR 2q13
del 290kb
AR 5q13.2
inv/dup
AR 6p21.3
del
30kb
AD 8q21
dup 45kb
AR 11p15.5
del
AR 16p13.3
AD 16p13.3
AD 17p12
dup 1400kb
AD 17p12
del
idem
AD 17q11.2
del
1500kb
AR 17q23.3
del
6.7kb
AR 22q13.1 del/dup 9.3kb
XL Xp22.32
del
1900kb
XL Xq28
del
XL Xq28
del
10kb
XL Xq28
inv 300 -500kb
XL Xq28
del/dup/inv
48kb
XL Xq28
inv/del
20kb
LCR
17p
distal
CMT1A -REP
proximal
CMT1A -REP
distal
SMS-REP
LCR17pE
~31Kb
PMP22
middle
SMS-REP
proximal
SMS-REP
LCR17pG
~31Kb
LCR17pF
~33Kb
LCR17pA
383Kb
LCR17pB
191Kb
LCR17pC
91Kb
24Kb
~200Kb
7,4 Mb totale LCR 1,7 Mb (23%)
LCR17pD
191Kb
CEN
Sindromi da geni contigui I
Williams-Beuren syndrome
Prader-Willi syndrome
Angelman syndrome
dup(15)(q11.2q13)
triplication 15q11.2q13
Smith-Magenis syndrome
dup(17)(p11.2p11.2)
DiGeorge/VCFS
Male infertility
AZFa microdeletion
Male infertility AZFc microdel.
7q11.23
15q11.2q13
15q11.2q13
15q11.2q13
15q11.2q13
17p11.2
17p11.2
22q11.2
Yq11.2
Yq11.2
Sindromi da geni contigui I
Williams-Beuren syndrome
Prader-Willi syndrome
Angelman syndrome
dup(15)(q11.2q13)
triplication 15q11.2q13
Smith-Magenis syndrome
dup(17)(p11.2p11.2)
DiGeorge/VCFS
Male infertility
AZFa microdeletion
Male infertility AZFc microdel.
7q11.23
15q11.2q13
15q11.2q13
15q11.2q13
15q11.2q13
17p11.2
17p11.2
22q11.2
Yq11.2
Yq11.2
Williams-Beuren syndrome (WBS) I
Fenotipo autosomico dominante.
mutazione presente: delezione di
1600kb. Prevalenza 1/7500 1/25.000 fra i nati vivi
Williams-Beuren syndrome (W BS) II
7q11.23
crom.7
Inversione benigna nel 28% dei genitori
ELN
cen
tel
C A B C
B
A
B
A
C
tel
cen
C A B C B A
cromosoma deleto
cen
C A B C
A B
B A
C
cromosoma invertito
B A C
tel
Sindromi da geni contigui I
Williams-Beuren syndrome
Prader-Willi syndrome
Angelman syndrome
dup(15)(q11.2q13)
triplication 15q11.2q13
Smith-Magenis syndrome
dup(17)(p11.2p11.2)
DiGeorge/VCFS
Male infertility
AZFa microdeletion
Male infertility AZFc microdel.
7q11.23
15q11.2q13
15q11.2q13
15q11.2q13
15q11.2q13
17p11.2
17p11.2
22q11.2
Yq11.2
Yq11.2
22q11.2 DGS/VCFS
crom.22
A
B
C
D
N
Cen
1.5Mb
(8%)
2Mb
(2%)
3 Mb (85 -90%)
A
C
B
D
Tel
T.H.Shaikh et al: Hum.Mol.Genet.9(4) 489-501 2000
T.H.Shaikh & B.S.Emanuel:Nat.Rev.Genet.2(10) 791-800 20
Sindromi da geni contigui I
Williams-Beuren syndrome
Prader-Willi syndrome
Angelman syndrome
dup(15)(q11.2q13)
triplication 15q11.2q13
Smith-Magenis syndrome
dup(17)(p11.2p11.2)
DiGeorge/VCFS
Male infertility
AZFa microdeletion
Male infertility AZFc microdel.
7q11.23
15q11.2q13
15q11.2q13
15q11.2q13
15q11.2q13
17p11.2
17p11.2
22q11.2
Yq11.2
Yq11.2
15q11-q13
PWS/AS
crom.15
delezione 4Mb
~70% dei casi di
PWS/AS inversione in
4/15 madri di AS
deleti
Come si originano le del/dup
Intercromosomico
Cen
tel
tel
duplicazione
delezione
Intracromosomico
delezione
frammento acentrico
inversione paracentrica
Riarragiamenti costituzionali
inv dup(15)(q11q13)
inv dup(22)(q11.2)
dic(X)(p11.2)
inv dup(8p)
der(8)(pterp23.1::p23.2pter);
del(8)(p23.1p23.2)
dup(15)(q24q26)
t(11;22)(11q23;22q11)
Inverted dup
Inverted dup
Isodicentric
inv/dup/del
inv/dup/del
dup
Inv dup(22) Cat-Eye Syndrome (CES)
22q11.2
Cromosoma 22
Cariotipo del laboratorio Prof.ssa O.Zuffardi
mar
Due tipi di inv dup(15)
Inv dup(15) I
15q11
mar
48,XX,+mar.+mar
J Fenotipo normale
Cromosoma 15
Cariotipo del laboratorio Prof.ssa O.Zuffardi
Inv dup(15) II
Cromosoma 15
mar
15q12
L Fenotipo patologico
Ipotonia -Deficit di accrescimento Facies caratteristica -Ritardo
mentale -epilessia -comportamento
autistico.
Cariotipo del laboratorio Prof.ssa O.Zuffardi
Origine dei riarrangiamenti I
MI punti di rottura dei marcatori sovrannumerari
sono gli stessi della delezione all’origine di DGS/VCFS
CES BP
CES BP
A
B
C
D
N
1.5Mb
(8%)
2Mb
(2%)
3 Mb (85 -90%)
Origine dei riarrangiamenti II
MI punti di rottura (BP) dei marcatori
sovrannumerari coinvolgono i dupliconi della
regione PWS/AS ed altri piu’distali
BP1
classeI
BP2
BP3
BP4
BP5
classeII
delezioni PWS/AS
inv dup(15)
grandi inv dup(15)
duplicazioni e
triplicazioni
Modificato da: Gimelli G. et al: Hum.Mol.Genet. 12(8) 849-858 2003
Intercromosomico
Origine dei riarrangiamenti III
bisatellitato
acentrico
Intracromosomico
inversione paracentrica
bisatellitato
acentrico
Modificato da: B.S.Emanuel &T.H.Shaikh: Nat.Genet.Rev. 2(10) 2001
Riarragiamenti costituzionali
inv dup(15)(q11q13)
inv dup(22)(q11.2)
dic(X)(p11.2)
inv dup(8p)
der(8)(pterp23.1::p23.2pter);
del(8)(p23.1p23.2)
dup(15)(q24q26)
t(11;22)(11q23;22q11)
Inverted dup
Inverted dup
Isodicentric
inv/dup/del
inv/dup/del
dup
T(11;22)
* La traslocazione 11q/22q e’’
l unica traslocazione
costituzionale ricorrente non robertsoniana. Anche in questo
caso i portatori che si presentano fenotipicamente normali
vengono individuati per la nascita di progenie sbilanciata.
Portatore bilanciato
Progenie sbilanciata
der(22)
der(22)
der(11)
11
der(11)
22 der(22)
Cariotipi del laboratorio Prof.ssa O.Zuffardi
T(11;22) origine I
* Il punto di rottura di entrambi i cromosomi contiene una
sequenza (AT)n palindromica (PATRR:PalindromicATRichRegion)
CES BP
M Il BP sul cromosoma 22 cade in uno
A
B
C
CES BP D
N
t(11;22) BP
dei dupliconi della regione DGS/VCFS
Quale potrebbe essere il meccanismo?
Forse tramite la formazione di una “hairpin/cruciform structure”
(Kurahashi H.et al.Hum.mol.Genet. 9(11)1665 -1670 2000)
T(11;22) origine II
Forse tramite la formazione di una “hairpin/cruciform
structure”in cui il centro della forcina e’suscettibile alle
DSB(double-strand break).
La struttura potrebbe originarsi anche in altri cromosomi che
condividono la stessa organizzazione e questo sarebbe
l’innesco per la traslocazione
crom.22
A
crom.11
B
C
D
N
der22
der11
In effetti sembra che il BP sia localizzato all’estremita’della
forcina e un’altro caso e’stato riportato nel 2003 in cui e’
coinvolta la stessa sequenza del 22 e una sequenza ATn
localizzata sul 17. I BP di questa traslocazione hanno la stessa
organizzazione della 11/22 (Kurahashi H. et al. Am.J.Hum.Genet.72733 -738, 2003)
Riarragiamenti costituzionali
inv dup(15)(q11q13)
inv dup(22)(q11.2)
dic(X)(p11.2)
inv dup(8p)
der(8)(pterp23.1::p23.2pter);
del(8)(p23.1p23.2)
dup(15)(q24q26)
t(11;22)(11q23;22q11)
Inverted dup
Inverted dup
Isodicentric
inv/dup/del
inv/dup/del
dup
Olfactory receptor genes
OR ipotizzati nel genoma umano: 1000
tra geni e psuedogeni
La maggior parte sono organizzati in
cluster di 10 o piu’ membri
Il braccio corto del cromosoma 8
Giglio S.et al. Am.J.Hum.Genet. 68:874-883, 2001
Inv dup(8)
der(8)(pterp23.1::p23.2pter);
Inv dup(8) crom.8
I BP sono costanti in entrambi i casi e coinvolgono i cluster degli OR presenti
su 8p.
I due cromosomi riarrangiati sono i prodotti reciproci dello stesso evento
In tutti i casi esaminati :21(inv dup8) e 2 der(8), l ’origine era materna:
Il braccio corto del cromosoma 8
Giglio S.et al. Am.J.Hum.Genet. 68:874-883, 2001
Origine:
meiosi materna
Il braccio corto del cromosoma 8
Giglio S.et al. Am.J.Hum.Genet. 68:874-883, 2001
La NAHR fra due
cluster
di OR potrebbe
portare alla
formazione di un
dicentrico e di un
frammento acentrico
Il braccio corto del cromosoma 8
Giglio S.et al. Am.J.Hum.Genet. 68:874-883, 2001
FISH
con sonde
interne agli OR
26% della popolazione
europea e’eterozigote
8% omozigote
M Polimorfismo
T(4;8)(p16;p23)
Heterozygous submicroscopic inversions involving olfactory receptor -gene
clusters mediate the recurrent t(4;8)(p16;p23) translocation . Giglio S.et
al. Am. J. Hum. Genet. 71:276 -285 (2002)
Anche in questo caso l ’origine era la meiosi materna.
Anche in questo caso le madri erano eterozigoti per la regione compresa
fra i cluster degli OR del cromosoma 4 e del cromosoma 8
12,5% eterozigoti per il crom.4
26% eterozigoti per il crom.8
~2.5% doppie eterozigoti
CONCLUSIONI
Particolari strutture genomiche predispongono
all’insorgenza di riarrangiamenti genomici e
cromosomici, in meiosi e/o in mitosi
La variabilita’ individuale potrebbe
essere il principale fattore di
suscettibilita’ alla loro insorgenza
NON sono dispense, ma un ausilio allo studio sul
libro
By NA