Patologia Molecolare Le basi molecolari delle
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Patologia Molecolare ovvero Le basi molecolari delle malattie genetiche 2 diverse definizioni di GENE (formale vs molecolare) 1. Un determinante, o un co-determinante, di un carattere ereditato in accordo con le leggi di Mendel 2. Un’unità funzionale di DNA • Locus: localizzazione cromosomica di un gene o di una sequenza di DNA • Alleli: versioni alternative di geni o di sequenze di DNA • Genotipo: la lista di alleli presenti ad un locus o ad una serie di loci (omo/eterozigote, emizigote) • Fenotipi, caratteri, tratti: proprietà osservabili di un organismo (ispezione, indagini di laboratorio) Caratteri mendeliani Dominante Si manifesta nell’eterozigote Recessivo Non si manifesta nell’eterozigote Dominanza e recessività sono proprietà dei caratteri, non dei geni Talassemia : recessiva Tratto talassemico: dominante Dominanza incompleta e codominanza Caratteri mendeliani: Un certo genotipo a un locus è necessario e sufficiente perché il carattere sia espresso OMIM database: www.nci.nlm.nih.gov/omim Circa 20.000 voci tra geni sequenziati, caratteri associati a geni noti e caratteri ereditati in modo mendeliano per i quali non è noto il gene ….ma la maggior parte dei caratteri genetici umani non è mendeliana… Più è complesso il pathway tra DNA e fenotipo meno probabile è che mostri un pattern di ereditarietà mendeliano: • Polimorfismi del DNA • Varianti di proteine (mobilità, attività, ecc.) • Difetti dello sviluppo (palatoschisi, spina bifida ecc.) • Tratti comportamentali (IQ, schizofrenia, ecc.) Caratteri non-mendeliani: più loci, con il contributo più o meno grande dell’ambiente (multifattoriali) Oligogenici Poligenici Locus principale + background poligenico Loci che controllano i caratteri non-mendeliani Caratteri dicotomici Caratteri quantitativi Geni di suscettibilità Loci dei tratti quantitativi (QTLs) Familiarità senza pattern mendeliano Patologie comuni (es. diabete) hanno un’eziologia molto eterogenea: Mendeliana Ambientale Multifattoriale Malattie complesse Malattia genetica: malattia causata da una mutazione ereditata o acquisita Quelle che conosciamo meglio sono dovute a mutazioni nei geni codificanti proteine Mutazioni nella CDS (coding dna sequence) SILENTE (SINONIMA) MISSENSO conservativa MISSENSO non conservativa NON SENSO Il codone codifica lo stesso amminoacido Il codone codifica un amminoacido diverso che non altera la funzione della proteina Il codone codifica un amminoacido diverso che altera la funzione della proteina Il codone specifica un segnale di stop MUTAZIONE regioni codificanti Splicing, stabilità RNA Proteina anomala regolazione Proteina normale diminuita Perdita di funzione aumentata Guadagno di funzione Nuove proprietà Espressione ectopica inappropriata Un cambio di sequenza e’ patogenico? Delezione dell’intero gene, mutazioni nonsense, frameshifts Mutazioni nelle sequenze consenso per lo splicing Mutazioni missense in un dominio funzionale della proteina Mutazioni in aminoacidi conservati filogeneticamente Sostituzioni non conservative degli aminoacidi Un cambio di sequenza nel gene candidato presente in un paziente affetto de novo e non nei suoi genitori sani Rapporto tra genotipo e fenotipo Variazione del fenotipo (eterogeneità clinica) possono essere dovute a tre fenomeni genetici Eterogeneità allelica Eterogeneità di locus Geni modificatori Rapporto tra genotipo e fenotipo Eterogeneità allelica Differenti alleli per locus β talassemie Eterogeneità di locus Differenti loci PKU Geni Modificatori Altri geni modificano il fenotipo determinato da un locus maggiore PKU (PAH) Fibrosi cistica talassemie Alcune amminoacidopatie fenilalanina Fenilalanina idrossilasi fenilchetonuria tirosina Tirosina transaminasi tirosinemia Acido idrossifenilpiruvico Acido omogentisico Omogentisico ossidasi alcaptonuria Acido maleilacetico Cofattore Tetraidrobiopterina (BH4) 6-PTS DNHP GTP BH4 1/2900 nati vivi è affetto da PKU Screening neonatale (livelli di fenilalanina) Eterogeneità allelica nella PKU PKU classica PKU varianti Non PKU Fenilalanina idrossilasi (oltre 400 mutazioni) Eterogeneità di locus nella PKU (1-3%) Alterato riciclo BH4 (tetraidrobiopterina) Alterata sintesi BH4 PCD DHPR GTP-CH 6-PTS Eterogeneità di locus Complementazione Complementazione Ipoacusia autosomica recessiva La principale distinzione in patologia molecolare è tra mutazioni da perdita o guadagno di funzione (LoF vs GoF) Generalmente le mutazioni GoF danno trasmissione dominante della malattia Mutazioni Perdita di funzione Il prodotto genico ha funzione ridotta o nulla Guadagno di funzione Il prodotto genico fa qualcosa di anormale Perdita di funzione Un fenotipo è probabilmente causato da una mutazione con perdita di funzione quando una mutazione puntiforme o una delezione presentano un fenotipo simile (eterogeneità allelica) Mutazioni nel gene ATM in pazienti con Ataxia teleangectasia (AR) Eterogeneità allelica Eterozigoti composti La maggior parte degli individui malati di malattie recessive sono eterozigoti composti Perdita di funzione Mutazioni con perdita di funzione in genere portano a fenotipi recessivi Il fenotipo è dominante in caso di Aploinsufficienza Dominante negativo Aploinsufficienza (alterazioni in funzioni geniche sensibili alla dose) prodotti genici parte di un segnale quantitativo prodotti genici che competono tra loro per determinare uno switch metabolico o di sviluppo prodotti genici che interagiscono con stechiometria fissa Mutazioni LoF nel gene Pax3 in pazienti con sindrome di Waardenburgh (AD) aploinsufficienza Mutazioni nonsenso 274 Mutazione nonsenso nel gene Pax3 (sindrome di Waardenburg tipo 1) Nonsense-mediated decay (NMD) EJC proteins NMD non funziona per mutazioni in tutte le posizioni di un mRNA (ultimo esone o a -50bp dall’ultimo ss) Le mutazioni nonsenso del gene Sox10 che fanno NMD causano Waardenburg Syndrome type 4, mentre quelle nell’esone 4 causano un fenotipo molto più severo Dominanza negativa La proteina mutante non solo perde la funzione, ma interferisce con la proteina sana Proteine che funzionano come multimeri sono particolarmente sensibili ad effetti dominanti negativi Le fibre di collagene sono le principali proteine strutturali del tessuto connettivo, composte di reti di unità di procollagene Geni COLA1 COLA2 Procollagene di tipo I Tripla elica due catene α1 una catene α2 N 2N Mutazioni in geni COLA1 sono causa di osteogenesi imperfetta (dominante) osteogenesi imperfetta forma meno grave osteogenesi imperfetta forma grave Rapporti tra perdita di funzione e fenotipo Attività residua della proteina Malattia recessiva Malattia dominante L’effetto fenotipico delle mutazioni da perdita di funzione dipende dal livello residuo di funzione genica Malattia recessiva con fenotipo graduale (DMD) Differente fenotipo (DMD BMD, COL1A1-2)
