Lezione 14:4_2

Complicazioni rispetto ai principali
modelli di
ereditarietà mendeliana
Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana
• 
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• 
Espressività variabile
Mutazioni de novo
Penetranza incompleta
Mosaicismo Germinale
Insorgenza Tardiva
Eterogeneità genetica
Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana
Famiglia con puberta precoce limitata ai maschi. La malattia e
autosomica dominante e puo essere trasmessa attraverso maschi
affetti o femmine portatrici sane. La trasmissione maschio-maschio
esclude ereditarieta legata all X. La trasmissione attraverso femmine
portatrici esclude trasmissione legata all Y.
Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana
Un comune carattere recessivo, come il gruppo sanguigno O, può sembrare un carattere dominante.
Ambiente ed espressione genica
Lo sviluppo di un organismo multicellulare a partire dallo zigote e’ un processo
regolato di crescita e differenziamento risultato dall’interazione del genoma con
l’ambiente cellulare interno e con l’ambiente esterno
•  Replicazione di materiale genetico
•  Crescita
•  Differenziamento dei diversi tipi cellulari
•  Aggregazione delle cellule differenziate in tessuti ed organi definiti
Il fenotipo e’ il risultato di interazioni strettamente interconnesse tra molti fattori
durante lo sviluppo
Effetti dell’ambiente interno
sull’espressione genica
•  Eta’ d’insorgenza
•  Sesso (puberta’ precoce limitata ai maschi),
caratteri limitati al sesso e caratteri influenzati
dal sesso)
Effetti dell’ambiente esterno
sull’espressione genica
•  Temperatura
•  Sostanze chimiche (fenocopie es virus della
rosolia, talidomide>focomelia)
Penetranza
La penetranza è un fenomeno tutto o nulla che si
riferisce all espressione, o alla non espressione, di un
dato gene mutante; per un carattere dominante è definita
quantitativamente come la proporzione di portatori
obbligati della mutazione (eterozigoti) che esprimono il
fenotipo (ad esempio se una malattia ha una penetranza
del 90% significa che il portatore (carrier) dell allele
mutato ha il 90% di probabiltà di esprimere la malattia a
livelli osservabili).
La penetranza si valuta guardando se la malattia è
presente oppure no
Penetranza incompleta
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: la sindrome dell X Fragile ha una penetranza del 80% (8 su 10 con il
genotipo della malattia esprimono il fenotipo)
Il pedigree di una famiglia con eritromelalgia autosomica dominante che mostra un difetto di penetranza. Si osservi come
l’individuo III-1 è clinicamente sano, ma è portatore obbligato
dell’allele mutante.
Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana
Eredità autosomica dominante con mancata penetranza
Espressività variabile
Manifestazione più o meno marcata di un fenotipo
dovuto ad un allele mutante. Geni mutanti con effetti
pleiotropici, che coinvolgono le funzioni di diversi organi
ed apparati, mostrano spesso un espressività variabile
dovuta all azione dell ambiente od alla presenza di geni
modificatori.
L espressività di un carattere si riferisce alla natura ed
alla gravità del fenotipo
Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana
Eredità autosomica dominante con espressività variabile: in questa famiglia con sindrome di Waardenburg, l ombreggiatura del primo
quadrante = sordità; del secondo quadrante = occhi di colore diverso;
del terzo quadrante = ciuffo di capelli bianchi sulla fronte; del quarto
quadrante = precoce incanutimento.
ESPRESSIVITÀ
• 
• 
• 
• 
VARIABILE
Correlata con la penetranza incompleta c è l espressività variabile , che è
presente soprattutto in condizioni dominanti.
Differenti membri della stessa famiglia mostrano spettri fenotipici differenti
della stessa malattia.
Le cause sono comuni a quelle responsabili della penetranza incompleta:
l influenza di altri geni o di fattori ambientali possono influire sullo sviluppo
dei sintomi di una malattia.
Penetranza Incompleta ed Espressività Variabile possono occasionalmente
essere osservate in difetti genetici ad ereditarietà recessiva
Penetranza ed espressivita’
La penetranza e’ la frequenza con cui
un allele dominante o omozigote
recessivo si manifesta nel fenotipo di
un individuo. L’espressivita’ e’ il tipo
o il grado di manifestazione
fenotipica in un dato individuo di un
gene o di un genotipo penetrante
Eterogeneita’ Genetica
• Eterogeneità genica: lo stesso fenotipo causato da mutazioni a 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 della Osteogenesis Imperfecta (OI), La tripla elica del collagene di tipo I
è formata da 2 catene a1 (codificate sul cromosoma 17) and 1 catena a2
(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.
Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana
Una nuova mutazione autosomica dominante determina uno schema
di eredità simile a quello di un carattere recessivo autosomico o legato
all X ed invece si tratta di un caso sporadico (mutazione de novo)
specialmente frequente nelle malattie che portano a morte prima
dell eta riproduttiva.
Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana
Una patologia dominante legata all X in cui i maschi affetti vengono
abortiti spontaneamente (quadratini)
Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana
Famiglia con un carattere recessivo legato all X in cui la consanguineità
produce una femmina affetta e un apparente trasmissione da maschio
a maschio.
Mosaicismo
Mosaicismo: condizione in cui in un’individuo sono presenti due o piu’ linee cellulari
geneticamente diverse derivate da un singolo zigote, ma diverse per una mutazione o per
una non disgiunzione. Queste mutazioni possono avere luogo in epoca prenatale o
postnatale.
Presentazione schematica di divisioni mitotiche della cellula. Una mutazione che
avviene durante la proliferazione della cellula, indifferentemente nelle cellule
somatiche o durante la gametogenesi, porta ad una porzione di cellule che portano la
mutazione, risultando in mosaicismo somatico oppure della linea germinale.
Mosaicismo
Mosaicismo germinale: nella linea germinale possono essere presenti due o piu’
linee cellulari derivate da un singolo zigote che differiscono per la presenza di una
mutazione somatica o una non-disgiunzione. Chiamato anche mosaicismo
gonadico
Durante le prime fase dello sviluppo embrionale di un genitore e’ possibile
ipotizzare che sia avvenuta una mutazione in una cellula o in un precursore della
linea germinale che poi e’ persistito in tutti i discendenti del clone di quella cellula
e successivamente hanno formato una porzione di gameti.
30 divisioni mitotiche nelle cellule della linea germinale prima della meiosi nelle femmine e
molte centinaia nei maschi
Implicazioni per il counseling genetico
Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana
Mosaicismo germinale. Famiglia con osteogenesi imperfetta
(autosomica dominante). Alleli normali: 153 e 63 bp. Allele affetto: 72
bp. Il padre non ha la mutazione nelle cellule del sangue ma ha due figli
affetti che hanno l allele mutato. L analisi dello sperma del padre
rivela la presenza della mutazione.
INATTIVAZIONE DELL X
(definizione) Compensazione in cis del dosaggio
genico di uno dei due cromosomi
X nelle femmine di mammifero
INATTIVAZIONE DELL X (caratteristiche)
Agisce a livello della trascrizione. I geni X-linked sono quindi
trascritti solo dal cromosoma X attivo
Inizia durante lo sviluppo embrionale allo stadio di blasto-cisti.
La scelta dell’X paterno o materno e’ casuale
L’inattivazione è completa in pratica l’intero cromosoma viene
inattivato
L’inattivazione è permanente e viene propagata clonalmente,
vale a dire che se in una cellula viene inattivato il cromosoma X
paterno, tutta la progenie di quella cellula esprimerà il
cromosoma materno, mentre quello paterno rimarrà inattivato
La conseguenza della lyonizzazione è che la femmina è un mosaico
di cellule, ciascuna funzionalmente emizigote per l’uno o l’altro
cromosoma X
The Barr Body
Il cromosoma X inattivo e’ eterocromatico, late-replicating e
costituisce il corpo di Barr
Detection of XIST RNA in interphase nuclei
INATTIVAZIONE DELL’X
E MOSAICISMO
IMPLICAZIONI PER LE MALATTIE
GENETICHE
Zygote
Early Cleavage
Stage
Random X-chromosome
Inactivation
Adult
Female
mosaic
•
•
a
m
i
p
X X
OK
•
•
X m
Xp
•
i
m
•
a
p
X X
PROBLEMA
RANDOM X
INACTIVATION
POST-INACTIVATION
SELECTION
VARIABILITY OF MOSAICISM
INCREASING CLINICAL EXPRESSION OR SEVERITY IN HETEROZYGOTES
X with mutant allele active
X with normal allele active
Alcune classi particolari di malattie
genetiche
•  Malattie Mitocondriali
•  Imprinting (sindrome di Prader-Willi e
sindrome di Angelman)
•  Malattie da triplette (X-fragile, SCA).
Concetto di premutazione ed anticipazione
Alcune classi particolari di malattie
genetiche
•  Malattie Mitocondriali
•  Imprinting (sindrome di Prader-Willi e
sindrome di Angelman)
•  Malattie da triplette (X-fragile, SCA).
Concetto di premutazione ed anticipazione
Organizzazione del Genoma Umano
Genoma umano
Genoma nucleare
3.000 Mb
65.000-80.000 geni
~ 30%
Genoma mitocondriale
16,6 kb
37 geni
~ 70%
Geni e sequenze
correlati ai geni
DNA extra-
genico
Due geni
Per rRNA
Sequenze uniche o
moderatamente ripetute
~ 10%
22 geni
Per tRNA
~ 80%
13 geni che
codificano polipeptidi
~ 20%
~ 90%
DNA
codificante
Pseudogeni
DNA non
codificante
Frammenti
genici
Sequenze uniche o con
un basso numero di copie
Introni,
sequenze non tradotte, ecc.
Da mediamente ad
altamente ripetute
Ripetizioni in
tandem o ripetizioni
raggruppate
Ripetizioni
intersperse
Le proteine mitocondriali
Le proteine mitocondriali sono prodotte da
geni mitocondriali e geni nucleari
DNA
mRNA
Proteina
GENOMA MITOCONDRIALE
- 16.569 bp
- 37 geni (13 codificano per proteine che rappresentano subunità di enzimi coinvolti nella catena respiratoria; 22 per RNA transfer; 2 per RNA ribosomiale)
- Codice genetico leggermente diverso da quello nucleare (AGA e AGG sono STOP)
- Le mutazioni possono essere eteroplasmiche e omoplasmiche
Il mtDNA si replica in maniera indipendente dal DNA nucleare ed i mitocondri segregano nelle cellule figlie indipendentemente dai cromosomi nucleari (segregazione replicativa), la proporzione di mitocondri che portano una mutazione del mtDNA può essere diversa tra le varie cellule somatiche dei diversi tessuti, questa eterogeneità è detta eteroplasmia
MALATTIE MITOCONDRIALI
- Malattie da mutazioni di geni del genoma mitocondriale
- Malattie da mutazioni di geni del genoma nucleare che
codificano per proteine che vengono trasportate nel
mitocondrio
MALATTIE MITOCONDRIALI
-  Frequenza 6-7/100.000 nati
-  Malattie da mutazioni di geni del genoma mitocondriale
Mutazioni puntiformi, delezioni o duplicazioni
- Malattie da mutazioni di geni del genoma nucleare che
codificano per proteine che vengono trasportate nel
mitocondrio (proteine strutturali, proteine deputate all importazione o alla comunicazione tra i due genomi)
-  Poiche la funzione mitocondriale e necessaria a quasi tutte le
cellule e poiche l espressione fenotipica di una mutazione
nell mtDNA dipende dalla proporzione relativa di mtDNA normale e
mutante nelle cellule che formano i tessuti, la ridotta penetranza
l espressivita variabile e la pleiotropia sono caratteristiche tipiche di
un albero genealogico di un disordine mitocondriale
Malattie mitocondriali
L’eredita’ e’ matrilineare e nessun maschio affetto trasmette la malattia alla sua progenie
mentre la femmina affetta trasmette la malattia a tutti i figli senza distinzione di sesso.
EXAMPLES OF MITOCHONDRIAL DISORDERS
Neuropatia Ottica Ereditaria di Leber
(LHON)
Perdita acuta o subacuta della visione senza dolore, acc. Da scotoma centrale, per atrofia ottica nel giovane adulto - teleangectasia peripapillare nel p. presintomatico. NUCLEOTIDE
11.778 3.460 14.484 GENE
FREQUENZA
ND 4
ND 1
ND 6
50-70%
15%
10%
Sono geni del complesso 1 della catena respiratoria = NADH - coenzima Q ossidore duttasi
Alcune classi particolari di malattie
genetiche
•  Malattie Mitocondriali
•  Imprinting (sindrome di Prader-Willi e
sindrome di Angelman)
•  Malattie da triplette (X-fragile, SCA).
Concetto di premutazione ed anticipazione
DEFINIZIONE
Per la maggioranza dei geni di mammifero l espressione di
un allele non dipende dal fatto che l allele sia stato ereditato
dalla madre o dal padre. Tuttavia alcuni geni sono particolari
poiché l espressione di un allele dipende dalla sua origine
parentale: per alcuni geni viene espresso l allele materno per
altri quello paterno. A questo fenomeno si dà il nome di IMPRINTING GENOMICO.
Si definisce imprinted la copia del gene che non viene
espressa.
L espressione di un allele imprintato dipende
dalla sua origine parentale
Allele Paterno
GENE 1
ON
non
Imprintato
Allele Materno
GENE 2
ON
Imprintato
Espresso
dall allele
paterno
GENE 1
GENE 2
ON
OFF
GENE 3
OFF
Imprintato
Espresso
dall allele
materno
GENE 3
ON
Sindrome di Prader - Willi
•  Ipotonia, debole succhiatura
•  Testicoli ritenuti (M)/Labbra
ipoplastiche (F)
•  Iperfagia (2 - 3 anni)⇒ OBESITA •  Facies: stretto diametro bitemporale
occhi a mandorla, strabismo
•  Bassa statura, piccole mani e piedi
•  Capelli chiari e ipopigmentazione
•  RITARDO MENTALE medio
Sindrome di Angelman
•  Inappropriati accessi di riso
•  Andatura atassica (a marionetta)
•  EPILESSIA
•  Facies: bocca larga, lingua protrusa, labbro sup. sottile, mandibola prominente
•  Ipopigmentazione
•  RITARDO MENTALE grave con assenza di parola
Prader - Willi (PWS)
Angelman (AS)
•  Ipotonia, debole, succhiatura
•  Inappropriati accessi di riso
•  Testicoli ritenuti (M)/Labbra
•  Andatura atassica (a marionetta)
ipoplastiche (F)
•  EPILESSIA
•  Iperfagia (2 - 3 anni)⇒ OBESITA •  Facies: bocca larga, lingua protrusa
•  Facies: stretto diametro bitemporale labbro sup. sottile, mandibola
occhi a mandorla, strabismo
prominente
•  Bassa statura, piccole mani e piedi •  ASSENZA DELLA PAROLA
•  Capelli chiari e ipopigmentazione •  Ipopigmentazione
•  RITARDO MENTALE medio
•  RITARDO MENTALE grave
LA MAGGIOR PARTE DEI CASI SONO SPORADICI
In entrambe le sindromi si trovano anomalie della
stessa regione del cromosoma 15 (delezione 15 q 11 - q 13)
L analisi molecolare ha dimostrato che è deleto lo stesso intervallo
La differenza del fenotipo è dovuta alla
differente origine parentale della delezione
Delezione dell allele paterno ⇒ PWS
Delezione dell allele materno ⇒ AS
Ci sono due o più geni "imprinted " in
maniera opposta nella regione deleta
Il gene PWS è espresso
Esclusivamente nell omologo
paterno
Il gene AS è espresso
esclusivamente nell omologo
materno
La delezione dell allele espresso
determina nullisomia
IMPRINTING
La copia paterna e la copia materna di un gene sono
espressi DIFFERENTEMENTE
Il pattern di eredità è deviato rispetto alle regole mendeliane
A
b
c
d
e
A
b
c
d
e
= Geni espressi
= Geni non espressi
M
P
Disomia Uniparentale
presenza di due copie dello stesso
cromosoma ereditate dallo stesso genitore, mentre nessuna copia viene
dall altro genitore
Materna
M
M
Paterna
P
P
PWS
70 %
Delezione 15 q
visibile al cariotipo
85%
20 %
UPD = uniparental
disomy (di somia
uniparentale)
< 1 %
Mutazioni puntiformi
nei geni ?!?!
restanti
casi
restanti
casi
AS
UPD = eredità di entrambi i cromosomi omologhi da un singolo
genitore
UPD Materna ⇒ PWS ( = delezione omologo paterno)
UPD Paterna ⇒ AS ( = delezione omologo paterno)
Il meccanismo alla base sarebbe una non disgiunzione nella meiosi materna
Alcune classi particolari di malattie
genetiche
•  Malattie Mitocondriali
•  Imprinting (sindrome di Prader-Willi e
sindrome di Angelman)
•  Malattie da triplette (X-fragile, SCA).
Concetto di premutazione ed anticipazione
Fragile X Syndrome
SINDROME DELL X
FRAGILE
E una delle forme piu comuni di ritardo
mentale ereditario, e rappresenta il 15-20% dei
ritardi mentali legati all X.
Incidenza: 1/4000 maschi; 1/8000 femmine
Si trasmette come tratto legato all X recessivo
con penetranza ridotta (80% nei maschi, 30%
nelle femmine)
QUADRO CLINICO
•  Ritardo mentale
•  Facies anormale con mandibola
prominente e grosse orecchie
•  Macroorchidismo
•  Anomalie comportamentali (iperattivitaʼ
autismo) nei maschi
Fragile X Cromosome
20-50
(CGGCGGCGGCGG)
5 3 ATG
STOP
Gene FMR1
normale
200-1000
(CGGCGGCGGCGGCGGCGGCGG)
5 3 ATG
STOP
Gene FMR1
pazienti
MUTAZIONI DA DNA INSTABILE
……..CGGCGGCGG……..
..…CGGCGGCGGCGGCGGCGGCGGCGG…..
……..CAGCAGCAG……..
..…CAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAG…..
AMPLIFICAZIONE DI TRIPLETTE DI DNA CHE AVVIENE
DI GENERAZIONE IN GENERAZIONE NUOVO MECCANISMO DI MUTAZIONE E DI TRASMISSIONE GENETICA
Concetto di Premutazione
82 22 29
22 83
>200
22 90
>200
29 80
~500
Anticipazione
= peggioramento della malattia da una generazione alla successiva Esempio nella distrofia miotonica:
I
I 1 = catatatta, a 50 anni insorge il il difetto muscolare
II
II 2 = debolezza muscolare insorta nell adolescenza, cataratta, cardiomiopatia
III
III 1 = neonato affetto da miotonia congenita ( insufficienza respiratoria ipotonia ecc.)
Generic Pedigree of a Dominantly Inherited
Due to CAG Repeat Instability
normal: 5 - 37
premutation: 38 - 50 (minimal transition threshold: 35)
very late onset: 42 - 180
adult onset: few - several hundreds
congenital disease: greater than approx. 1000
Generic Pedigree of a Dominantly Inherited
Due to CAG Repeat Instability
Type I Trinucleotide Disease
REDDY & HOUSMAN 1997
Type II Trinucleotide Disease
REDDY & HOUSMAN 1997
The Complex Pathology of Trinucleotide Repeats Reddy and Housman
HD
SCA1
DRPLA
MJD
121
Affected
Normal
DRF
5 UTR Normal
3 UTR
Affected
SCA2
SBMA
SCA6
Diagrammatic representation of the type I trinucleotide repeat diseases, showing
the number and location of the expanded repeats within a model gene. The coding region is represented by a filled box and the untranslated regions are shown by thick black lines. The repeats are represented by CAG, with increasing font size representing expanding numbers of repeats. The numbers of repeats are denoted by numbers on the right of the repeats. The numbers showing the range of repeat Numbers that produces a disease phenotype are underlined. The repeat expansions
in each disease gene are shown at an approximate location within the model gene.
ORF, open-reading frame.
The Complex Pathology of Trinucleotide Repeats Reddy and Housman
Full mutation
Pre/protomutation
Normal
5 UTR
Exon
Intron
Exon
Intron
Exon
3 UTR
1997 Current Opinion in Cell Biology
Diagrammatic represenation of the Type II Trinucleotide repeat desease,
showing the number and location of the repeat expansions within a model gene.
Exons are represented by filled boxes, and the introns and untranslated
regions are shown by thick black lines. The repeats are represented by triplet
nucleotides (CTG, CGG, or GAA), with increasing font size representing
increasing numbers of repeats. The numbers of repeats are shown on the right
of the trinucleotides. The number of repeats for pre/protomutation and full
mutation are single and double underlined, respectively. The approximate
location of the repeats in each disease gene is also shown in this diagram. REGOLA
LE MALATTIE MONOGENICHE SI TRASMETTONO
SECONDO PATTERN BEN DEFINITI (AD, AR, XL)
ASSENZA DI RISCHIO DI RICORRENZA NELLE
MUTAZIONI DE NOVO
PER UN LOCUS AUTOSOMICO IL FIGLIO EREDITA
UN ALLELE DA CIASCUNO DEI DUE GENITORI
ENTRAMBI GLI ALLELI DI UN LOCUS AUTOSOMICO SONO UGUALMENTE ESPRESSI
LE MUTAZIONI SONO STABILI
ECCEZIONE
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
EREDITA MITOCONDRIALE
Es. Neuropatia ottica di Leber
MOSAICISMO GERMINALE
Es. Osteogenesis imperfecta
DISOMIA UNIPARENTALE
Es. PWS e AS
IMPRINTING
Es. Prader Willi /Angelman
MUTAZIONI IN STABILI
X Fragile