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
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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)
