Corso di Genetica Umana e Medica Alberto Auricchio Andrea Ballabio Sergio Cocozza
Brunella Franco (Coordinatore) Achille Iolascon Lucio Nitsch
[email protected]; https://www.docenti.unina.it/ Modalita’ ESAMI • Quiz con risposte multiple
• Proposta di voto • Propedeuticita’
• Integrazioni
Testi consigliati
CUMMINGS EREDITÀ, II Edizione EdiSES
Thompson & Thompson Genetica in Medicina
Testi Utili per la consultazione
Neri - Genetica Umana e Medica – Masson
Strachan & read, Genetica Molecolare Umana, UTET
Russell, iGenetica, EDISES
Materiale da consultazione disponibile in rete presso:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=Books include
Introduction to Genetic Analysis. 7th ed., Griffiths, et al.
Genomes Brown, T.A. New York and London: Garland Science ; c2002
Reviews aggiornate su malattie specifiche possono essere reperite a
GeneReviews:
http://www.geneclinics.org/servlet/access?
id=23322&key=Aei6SmDEnZFCz&gry=INSERTGRY&fcn=y&fw=
OtTI&filename=/profiles/all.html
OMIM - Online Mendelian Inheritance in Man
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=OMIM&itool=toolbar
GENETICA
E’ LA SCIENZA CHE STUDIA:
La variabilità biologica degli organismi viventi
La trasmissione dei caratteri da un organismo ad un altro o da una cellula ad un’altra
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 della malattia
- Genomica
- Terapia Genica
TAPPE IMPORTANTI DELLA GENETICA (1)
1859 DARWIN Natura ereditaria della variabilità
delle specie
1865 MENDEL
Leggi che regolano la trasmissione dei caratteri
1902 GARROD
Primo esempio umano di ereditarietà mendeliana
1941 BEADLE e TATUM Un gene - un enzima
1953 WATSON e CRICK 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
studio della variabilità biologica dell'uomo
studio della variabilità biologica in relazione
alla malattia o stato di salute dell'individuo
si occupa della diagnostica e della
comprensione dei meccanismi della
suscettibilità genetica delle malattie
LE “AREE” DELLA GENETICA IN MEDICINA Genetica clinica frutto dell’applicazione delle capacità
diagnostiche e terapeutiche che nascono
dalla Genetica Medica
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
Costituzione genetica di un individuo o
piu’ specificatamente gli alleli presenti ad
ogni particolare locus
Manifestazione fisica di un carattere genetico,
che dipende da fenotipo specifico e dalla sua
interazione con l’ambiente
DEFINIZIONI (2)
- Cellule Germinali
- Cellule Somatiche
- Genoma, Cromosoma, Gene
- Mutazione e Polimorfismo
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
- ~ 3000 con difetto biochimico conosciuto
- Diagnosi molecolare e prenatale disponibile per molte
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 ancora
poco noti
- 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...
ASPETTI ETICI E SOCIALI
L’informazione genetica è:
⇒ personale
⇒ potente
⇒ potenzialmente predittiva
⇒ legata alla famiglia
⇒ causa di pregiudizi
DOMANDE - Quali malattie si definiscono “genetiche”?
- Qual’é l’interazione tra componente
genetica ed ambiente?
- Quando si deve sospettare una malattia genetica?
- Chi deve porre il sospetto clinico di malattia genetica?
TAPPE IMPORTANTI DELLA GENETICA (1)
1859 DARWIN Natura ereditaria della variabilità
delle specie
1865 MENDEL
Leggi che regolano la trasmissione dei caratteri
1902 GARROD
Primo esempio umano di ereditarietà mendeliana
1941 BEADLE e TATUM Un gene - un enzima
1953 WATSON e CRICK Struttura del DNA
GREGOR MENDEL
1860
(1822-1884) era un
monaco austriaco che
nel suo tempo libero
iniziò a coltivare ed
incrociare le sue piante
di piselli nel giardino
del monastero
Mendel affrontò
questo suo
hobby non da
giardiniere ma
con la curiosità
dello scienziato
ed inizio a
studiare le sue
piante di piselli
con la massima
attenzione
La scelta dei piselli si rivelò fortunata. Infatti queste piante sono molto adatte ad una
ricerca nel campo della genetica ed inoltre hanno molte caratteristiche che possono
essere utilizzate per la generazione degli ibridi
In particolare c’è
una varietà
alta ed una varietà
bassa
Esistono piselli lisci e
piselli rugosi
Alcuni baccelli sono
arrotondati
mentre altri sono
ondulati
Esistono piselli verdi e gialli; i fiori dei piselli possono essere bianchi o
violaceo. Ci sono differenze nel colore dei baccelli acerbi nella posizione dei
fiori etc
Ciascun fiore di pisello
ha entrambi gli organi
Femminili (uova) e
Maschili
(polline-spermatozoo)
,e
quindi i piselli
sono in grado di
effettuare
un’autoimpollinazione e
quindi di
autofertilizzarsi
Come Mendel ottenne gli ibridi
Mendel eliminò quando erano
ancora immaturi gli
organi sessuali per
impedire l’autoimpollinazione
Infine coprì i fiori per
evitare che fossero contaminati
da polline estraneo
Ha poi spolverato sul pistillo
il polline ottenuto dal “padre”
desiderato
In questo modo
Mendel riuscì
a controllare
la trasmissione
dei caratteri
nelle varie
generazioni
Il primo risultato importante di Mendel fù la scoperta
della dominanza. Cosa succede quando una pianta alta viene
incrociata con una bassa? Ci si potrebbe aspettare una pianta
di medie dimensioni ed invece…..
Infatti
tutti gli
ibridi erano
alti
Mendel espresse
il concetto che
l’altezza era
dominante sulla
bassa statura
(nei piselli !!).
Il tratto della
bassa statura
fu quindi definito
recessivo. In tutti
gli esperimenti di
Mendel un tratto
fu trovato
dominante su
un’altro definito
come recessivo
I semi tondi erano dominanti
su quelli rugosi, i baccelli
arrotondati su quelli ondulati
il colore verde su quello giallo
etc etc etc..…
I LEGGE DI MENDEL
Principo dell’uniformità della prima generazione ibrida Dall’incrocio tra individui che differiscono per un carattere, appartenenti a
linee pure, si ottiene una prima generazione filiale (F1) costituita da individui
tutti uguali fra loro, che manifestano il carattere di uno dei due genitori.
Non importava quale genitore avesse contribuito il polline e
quale l’uovo il risultato di una fusione (ibrido) tra una pianta
alta ed una bassa era sempre una pianta alta
La parte più
interessante
inzia quando si
cominciano ad
incrociare
gli ibridi
Quando gli ibridi vengono sottoposti
all’autoimpollinazione, circa 1/4
delle piante che nascono sono corte
Il tratto recessivo
è riapparso
Continuando con gli
esperimenti di
autoimpollinazione
con gli ibridi
Mendel scoprì che
all’incirca una pianta
alta su tre generava
solo piante alte
mentre le altre
davano piante alte
e piante basse
nel rapporto di 3:1
L’interpretazione di Mendel
E’
!!!!!!!!!!
E’ matematico
Matematico
C’è qualcosa nel
polline e nelle
uova che determina
l’altezza delle piante
di pisello. Questo
“qualcosa”
lo possiamo chiamare
GENE
Ciascun grano di polline e ciascun uovo
hanno un gene responsabile per l’altezza. Quindi
essendo la pianta formata dall’unione di polline
ed uovo ne avrà due uno derivante dal polline
ed uno derivante dall’uovo
Ogni gene (ad esempio quello della statura)
può quindi essere
rappresentato da due tipologie diverse
denominate Alleli
Un’allele A (grande) è
responsabile per l’alta
Statura,
l’altro allele a (piccolo)
è responsabile per la
bassa staura
Una pianta può avere gli stessi alleli oppure alleli diversi
L’allele A è
DOMINANTE
sull’allele a. Questo
significa che una
pianta con la
combinazione Aa è alta.
Gli alleli
non si fondono
Cosa succede quando AA
s’incrocia con AA?
Polline ed uovo danno
ciascun una copia del gene,
in questo caso gli alleli
sono uguali -A- quindi
l’individuo che
deriva dall’incrocia sarà AA
e quindi alto. Allo stesso modo
l’incrocio aa potrà generare solo
aa. AA ed aa costituiscono le
varietà stabili per l’alta e
per la bassa statura
Il primo ibrido di
Mendel fù un’incrocio
tra AA e aa: il polline
(oppure uovo) di AA
contiene solo
l’allele A mentre
il polline (oppure uovo)
di aa contiene solo
l’allele a. Il risultato
di quest’incrocio è
costituito da Aa
che ha un fenotipo
caratterizzato
da alta statura.
Quando l’ibrido va
incontro ad
autoimpollinazione
i suoi alleli A ed a
vengono distribuiti
in maniera casuale
tra i grani di polline e
le uova. Entrambi
A ed a vengono distribuiti
in proporzioni
pressocchè uguali
Quando uova ed polline si uniscono ci sono quattro possibilità
Polline basso Polline alto Polline basso Polline alto
Uova alte
Uova basse Uova basse Uova alte
Le diverse possibilità
sono riassunte in
questo rombo. Tutte
le possibili
generazioni sono
rappresentate nei
riquadri piccoli
Quadrato di Punnet
Ecco indicate le generazioni
successive degli ibridi come
vennero osservate
da Mendel. La
prima generazione è in
accordo con quanto
previsto e descritto
nel rombo
1/4 alte (AA)
1/2 alte (Aa)
1/4 basse (aa)
1/4 alte (AA) (se
incrociate
danno alte)
1/2 alte che
possono se incrociate
dare basse (Aa)
1/4 basse (se
incrociate
danno basse)
I LEGGE DI MENDEL
Principo dell’uniformità della prima generazione ibrida Dall’ incrocio tra individui che differiscono per un carattere, appartenenti a
linee pure, si ottiene una prima generazione filiale (F1) costituita da individui
tutti uguali fra loro, che manifestano il carattere di uno dei due genitori.
II LEGGE DI MENDEL
Principio della segregazione
I caratteri allelomorfi sono controllati da coppie di fattori che segregano l’uno
dall’altro durante la formazione dei gameti e passano, separati, in gameti
diversi; di conseguenza alla F2 anche i caratteri controllati da questi fattori
segregano e si manifestano in rapporti numerici definiti e costanti.
Mendel incrociò anche piselli dalla buccia liscia con piselli
dalla buccia rugosa, fiori bianchi e fiori violacei etc etc.
In tutti gli esperimenti riscontrò che le diverse
caratteristiche erano controllate da un singolo gene con due
diversi alleli dei quali uno era dominante sull’altro e per
tutti gli incroci osservo’ gli stessi rapporti numerici
Mendel arrivò quindi
alla conclusione
che i grani
di polline e uova sono
pieni di queste piccole
cose (geni)
e che in realtà le
piante
ne possiedono uno
per ogni tratto
ereditario
dell’organismo
Quindi senza averne
mai visto uno
Mendel concluse che
l’ereditarietà
è controllata da questi
“atomi d’ereditarietà”
che non si rompono mai
e non si amalgamano
mantenendo i loro
caratteri immutati di
generazione in generazione
Infine Mendel incrociò piante che
differivano solo per due caratteristiche
- ad esempio una pianta alta con grani lisci
- ed una bassa con grani rugosi. La
domanda era l’altezza e la superficie dei
grani (lisci o rugosi) sono
caratteristiche correlate oppure
agiscono in Maniera indipendente
quando la pianta si riproduce?
L’allele per la superficie
liscia è S quello per
la superficie rugosa
è s. L’allele S è
dominante, quindi
L’incrocio è quindi tra AASS e aass
Per quello che riguarda l’autoimpollinazione degli ibridi:
Se la distribuzione dei geni per l’altezza
e la superficie dei grani di piselli
avviene in maniera indipendente
tutte le sequenti diverse
possibilità saranno equalmente
possibili
Alti, lisci
Alti, rugosi
Bassi, lisci
Bassi, rugosi
E questo è esattamente
quello che Mendel osservò
:un rapporto di 9:3:3:1.
Questo esperimento ed altri
con combinazioni differenti
provarono il principio della
distribuzione indipendente:
Gli Alleli di un gene si
distribuiscono
indipendentemente dagli alleli
di un’altro gene (anche se
ci sono eccezioni a questa
regola).
I LEGGE DI MENDEL
Principo dell’uniformità della prima generazione ibrida Dall’ incrocio tra individui che differiscono per un carattere, appartenenti a
linee pure, si ottiene una prima generazione filiale (F1) costituita da individui
tutti uguali fra loro, che manifestano il carattere di uno dei due genitori.
II LEGGE DI MENDEL
Principio della segregazione
I caratteri allelomorfi sono controllati da coppie di fattori che segregano l’uno
dall’altro durante la formazione dei gameti e passano, separati, in gameti
diversi; di conseguenza alla F2 anche i caratteri controllati da questi fattori
segregano e si manifestano in rapporti numerici definiti e costanti.
III LEGGE DI MENDEL
Principio dell’assortimento indipendente
Quando si incrociano individui che differiscono per due coppie di alleli, che controllano due caratteri, ciascuna coppia viene ereditata indipendemente
dall’altra.
CONSEGUENZE GENETICHE DELLA MEIOSI
1 - Riduzione del numero dei cromosomi da diploide ad
aploide, fase essenziale nella formazione dei gameti.
2 - Segregazione degli alleli, sia durante la prima divisione meiotica che durante la seconda, in base alla prima legge di Mendel.
3 - Rimescolamento del materiale genetico attraverso
l’assortimento casuale degli omologhi, in base alla seconda legge di Mendel.
4 - Ulteriore rimescolamento del materiale genetico attraverso crossing over, presumibilmente sviluppatosi come meccanismo per aumentare
sostanzialmente la variazione genetica.
LOCUS:
Posizione specifica su un cromosoma (spesso riferito ad un gene)
ALLELI:
- Forme alternative di un locus
- Ogni individuo ha un allele materno ed uno paterno per ciascun locus (fatta ecezione per i loci sul cromosoma X e Y nei maschi
APLOTIPO:
Successione di alleli di loci vicini su un cromosoma
POLIMORFISMO:
Variabilità allelica presente in più dell’1%
della popolazione
OMOZIGOTE:
Individuo con alleli identici di un locus specifico
ETEROZIGOTE:
Individuo con alleli diversi di un locus specifico
DOMINANTE:
Carattere genetico che si manifesta nel fenotipo anche allo stato di eterozigote
RECESSIVO:
Carattere genetico che si manifesta nel fenotipo solo allo stato di omozigote
DOPPIO ETEROZIGOTE:
Individuo eterozigote per due distinti loci (4 alleli)
ETEROZIGOTE COMPOSTO:
Individuo che porta due mutazioni (rare) diverse allo stesso locus
