CORSO INTEGRATO DI
GENETICA
a.a.2010-2011
Prof. Pier Franco Pignatti
19.10.2010
Lezioni N. 13 e 14
Mutazioni e malattie genetiche
Neri-Genuardi cap. 2,3,10,22,25
Puntiformi, ins/del, CNVs, conversione genica
Mutazione: una definizione
• Mutazione: una alterazione di sequenza del
DNA rispetto al normale
• Polimorfismo : una variante con frequenza
> 1% nella popolazione
NOTA: in medicina è invalso l’uso di
chiamare “mutazione” una variazione del
DNA ritenuta causa di patologia, e
“polimorfismo” una variazione del DNA
non ritenuta causa di patologia
1
LA MUTAZIONE
Insorgenza: casuale, preadattativa
Sede: somatica, germinale
Livello: genica, cromosomica, genomica
Meccanismo: sostituzione, inserzione,
ripetizione, inversione, espansione,
delezione, riarrangiamento
Cause: endogene, esogene
Effetti evolutivi: neutra, svantaggiosa,
vantaggiosa
Stima diretta della frequenza di mutazione
Stima diretta è probabilmente una sottostima per:
penetranza incompleta, fenocopie, eterogeneità
genetica, “polimorfismi”, riparazione, letalità…
2
FREQUENZA DELLE MUTAZIONI
*
* Se un gamete ha 25.000 geni, il 2-25% dei gameti
avrà almeno una nuova mutazione genica
(25.000/100.000 = 0.25; 25.000/1.000.000 = 0.025)
Frequenza di mutazione:
due stime recenti
Sequenziamento diretto del DNA di un tratto
del cromosoma Y in 2 cinesi separati da 13
generazioni. Estrapolando al genoma intero,
suggerimento: gli umani hanno circa 180
nuove mutazioni genetiche non presenti nei
loro genitori (Y Hue e C Tyler-Smith, 2009)
Sequenza intero genoma di una famiglia con 2
figli. Stima di 70 nuove mutazioni per
genoma umano diploide (Roach JC et al 2010)
3
TIPI DI MUTAZIONE
Strutturali: puntiformi, delezioni,
inserzioni, inversioni, duplicazioni,
interruzione gene per riarrangiamento
cromosomico
Di regolazione trascrizionale o posttrascrizionale: nel promotore o in altre
sequenze, modificazione dello splicing
MUTAZIONI PUNTIFORMI
4
MUTAZIONI PUNTIFORMI e INS
1
SINONIMA
SOSTITUZ (conservativa)
SOSTITUZ (non conserv.)
TERMINAZIONE
SCIVOLAM. MODULO
Guttmacher e Collins, NEJM 347:1517, 2002
Il CODICE GENETICO
Codoni aa
1
2
2
9
3
1
4
5
6
3
61 20
3 X
64 20
5
TENTENNAMENTO DELLE TERZA BASE
U
G
G
C
U
G nella terza
posizione
dell’anticodone
può appaiarsi
con C o U)
A
G
I
U
C
A
(I: per deaminazione ossidativa A6)
Mutazioni per sostituzione di base
transversioni
transversioni
transizioni
transversioni
transversioni
Pi
Pu
6
MUTAZIONE di SOSTITUZIONE aa
βs-globina e falcemia
transversione GAG>GTG (p.6 Glu>Val)
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007, pg 153
MUTAZIONE di TERMINAZIONE
p.Gln39X e β°talassemia
transizione CAG>TAG
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007, pg 153
7
Mutazioni con perdita di funzione
Per la maggior parte dei prodotti genici la quantità
esatta non è essenziale: la maggior parte delle
mutazioni con perdita di funzione produce fenotipi
recessivi, il che significa che una persona che
abbia una sola copia funzionale del gene sarà
fenotipicamente normale.
In alcuni casi però il 50% del livello normale non è
sufficiente per la funzione normale: persone
eterozigoti per una mutazione con perdita di
funzione mostrano un fenotipo, che è perciò
ereditato come un carattere dominante. Questo si
chiama aploinsufficenza.
Mutazioni con guadagno di
funzione
Sono più rare. Determinano fenotipi
dominanti (es. ACH, HD).
Fenotipi dominanti anche nel caso in cui il
prodotto dell’allele mutato interferisca con
la funzione del prodotto normale: effetto
dominante negativo (es. OI).
(Strachan e Read 4th ed p.405)
8
Degradazione mediata da nonsenso
(NMD: Nonsense Mediated Decay)
Se Codone di Terminazione Prematura (PTC)
è in zona rossa, l’Exon Junction Complex
(EJC) non si stacca e l’mRNA è degradato
Es: NMD degrada maggior parte mRNA BRCA1 con PTC
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007, pg 149
CORNICE di LETTURA (reading frame)
Berg e Singer, Dealing with Genes, Blackwell 1992
9
MUTAZIONE da SCIVOLAMENTO
c.35delG gene connessina 26 (GJB2) e sordità AR
6G
5G
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007, pg 148
MUTAZIONI DA
RIARRANGIAMENTO DEL
DNA
10
RIARRANGIAMENTI del DNA
CNV
Differenze frequenti fra individui: non solo singoli
nucleotidi (SNPs) ma anche variazioni più grosse (del,
ins, inv, CNVs, dup, a volte implicate in malattie
DNA CNVs
• Tratti di DNA più lunghi di 1 kb che
mostrano differenze del numero di copie
nella popolazione normale
• Espressione diversa dei geni con diverso
numero di copie
• Possibile associazione con malattie
• Mappa ad alta risoluzione 20 europei e 20
africani per CNVs frequenza >5%
11
CNVs in AUTISMO
Marshall CR et al 2008
Autism
Chromosome
Rearrangement
Database. 277
CNVs nella
figura (13
ricorrenti).
Analisi CNVs
è parte della
valutazione
diagnostica
iniziale in ASD
(Autism
Spectrum
Disorders)
CNVs associati a obesità
• 300 pazienti con obesità grave e precoce
• Grosse delezioni (>500 kb) e rare (<1%)
sono significativamente aumentate nei
pazienti rispetto a 7.366 controlli
• Delezione 16p11.2 (5 pazienti) comprende
gene SH2B1, coinvolto nel meccanismo
d’azione della leptina e dell’insulina
Bochukova E et al, 2009
12
DELEZIONI esoni e DMD/BMD
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007, pg 148
Crossing-over fra sequenze alleliche
Read e Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007, pg 226
13
Crossing-over fra sequenze non alleliche
A: crossing
over
ineguale
(UEC)
B: scambio
ineguale di
cromatidi
fratelli
(UESCE)
Read e Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007, pg 226
C-O ineguale e Emoglobine Lepore
Differenza beta/delta:10 aa
Harris, Genetica Biochimica Umana, Zanichelli 1972
14
C-O ineguale e Daltonismo
Xq 28: 1 copia gene pigmento rosso e 1-3 copie verde
Connor e Ferguson-Smith Essential Medical Genetics Blackwell 1993
Dosaggio genico locus PMP22
CMT1A e HNPP
sono esempi di
“malattie
genomiche”:
malattie dovute ad
alterazioni
strutturali genoma
Ricombinazione
omologa non
allelica (NAHR)
Neuropatia
demielinizzante di
Charcot-Marie-Tooth
Neuropatia ereditaria con
paralisi da pressione
Lupski JR 2009
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CONVERSIONE GENICA
ricombinazione
non reciproca
Connor e Ferguson-Smith, Essential Medical Genetics, Blackwell 1993, Fig 2.12
CONVERSIONE GENICA gene CYP21
21A: pseudogene
21B: beta OHlasi
Geni 21 OHlasi e C4 del
complemento duplicati :
omologia 97%
Mutazioni 21B gene steroido 21OHlasi:
causa di iperplasia surrenale congenita.
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Mutazioni CYP21derivano dallo pseudogene
Strachan e Read, Genetica Umana Molecolare, UTET 2000, Fig 9.18
TRASPOSONI
I trasposoni sono stati scoperti da Barbara McClintock
nel mais negli anni ’40. Nel muoversi mutano i geni del
colore solo in alcune cellule. Nell’uomo il 45% del
genoma è costituito da elementi trasponibili
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TRASPOSIZIONE E RICOMBINAZIONE
Retrotrasposone L1 si inserisce
in gene F VIII e distrofina
inattivazione inserzionale
delezione
inversione
INVERSIONE gene F8 ed emofilia
40% casi gravi emofilia A è provocato da inversione
18
Variazioni in gemelli MZ da
retrotrasposizione L1
Martin SL Nature 2009
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