Genetica Medica

Genetica Medica
Dr. Giulio Piluso
Dipartimento di Biochimica, Biofisica e Patologia Generale
Università degli Studi della Campania «Luigi Vanvitelli»
Tel. 081 5665685
email [email protected]
http://www.webalice.it/giulio.piluso
Libri di Testo consigliati:

G. Neri, M. Genuardi – Genetica Umana e Medica. Edra Masson, 3a edizione

THOMPSON & THOMPSON – Genetica in Medicina.
Idelson-Gnocchi, Edizione 2005

T. Strachan, A. Read – Genetica molecolare umana.
Zanichelli
2
www.webalice.it/giulio.piluso
4
Di cosa si occupa…


La Genetica Medica si occupa dello studio
delle malattie genetiche, ovvero di malattie la
cui eziologia è riconducibile ad un’alterazione
del patrimonio genetico dell’individuo.
Come tali esse possono essere trasmesse da
un individuo portatore di un gene mutato o
affetto da una malattia genetica alla progenie.
5
Cosa si propone…



Porre una corretta diagnosi clinica, spesso
risultato del contributo di aree mediche
specialistiche diverse.
Confermare, se possibile, la diagnosi clinica
attraverso test genetici che consentano di
identificare con certezza l’alterazione causa
della malattia.
Fornire al malato ed ai suoi familiari adeguato
supporto attraverso la valutazione del rischio
riproduttivo e la consulenza genetica.
6
Finalità della Genetica Medica


[...] aiutare le persone con uno svantaggio
genetico e le loro famiglie a vivere e riprodursi
nel modo più normale possibile e a prendere
decisioni informate riguardo a questioni
riproduttive o di salute. [...] aiutarle ad adattarsi
alla loro condizione unica [...].
Deve essere data la massima priorità al
benessere delle persone e rendere massimi i
benefici per la loro salute.
“Proposta di linee guida internazionali sulle questioni
etiche in genetica medica e nei servizi di genetica”.
Organizzazione Mondiale della Sanità, 1998
7
Obiettivi del modulo didattico





Che cos’è il materiale genetico ed i principi che ne regolano la
funzione.
 Organizzazione del genoma umano.
 Struttura e funzione dei cromosomi.
 Modalità di trasmissione dei caratteri ereditari.
Alterazioni genetiche causa di malattia:
 Alterazioni cromosomiche.
 Mutazioni e loro significato.
Altri meccanismi molecolari alla base di alcune malattie genetiche:
 Espansione di triplette
 Imprinting genomico
 Disomia uniparentale
Esempi di malattie genetiche per i diversi meccanismi molecolari
proposti.
Tecniche d’indagine molecolare.
8
Cos’è il Genoma?

Il genoma è l'intero patrimonio genetico di un organismo
vivente.
GENE


Il genoma è "scritto" in un composto chimico chiamato
DNA (DeoxyriboNucleic Acid, acido deossiribonucleico)
Il DNA, identico per tutte le cellule di un individuo, è
contenuto nel nucleo
9
Gli Acidi Nucleici



Il DNA (acido desossiribonucleico) e l’RNA
(acido ribonucleico) sono macromolecole
presenti in quasi tutte le cellule.
L’informazione genetica è registrata
utilizzando un codice a tre basi (codice
genetico) ed immagazzinata nel DNA che è
utilizzato per sintetizzare l’RNA da cui si
ottiene la sintesi delle proteine.
La struttura della molecola di DNA definisce e
determina la sua funzione biologica.
10
J.Watson e F.CricK (Nobel, 1962)
11
13
Struttura del DNA a doppia
elica (1)


La composizione in basi del DNA rispetta una regola
fondamentale:
 La quantità di purine è uguale alla quantità di pirimidine.
 La quantità di adenina è uguale alla timina.
 La quantità di citosina è uguale alla guanina.
Il DNA ha una struttura a doppia elica, costituita da due molecole
(i filamenti di DNA) tenuti insieme da interazioni deboli (legami
idrogeno) che si instaurano tra coppie di basi appaiate secondo
14
lo schema...
Struttura del DNA a doppia
elica
15
Replicazione del DNA




Durante il processo di sintesi del DNA
(replicazione), i due filamenti di DNA
vengono srotolati da un’elicasi e ciascun
filamento di DNA dirige la sintesi di un
nuovo filamento ad esso complementare.
Si ottengono così due doppie eliche di
DNA, ciascuna delle quali è identica alla
molecola parentale.
Poiché ciascuna elica di DNA contiene
un filamento che apparteneva alla
molecola parentale e un filamento
neosintetizzato, si dice che il processo
replicativo è semi-conservativo.
La sintesi dei nuovi filamenti è catalizzata
dalle DNA polimerasi in presenza di
dNTP.
16
Il Codice Genetico




Considerando un codice a
tre basi e i quattro diversi
nucleotidi (G, A, T, C)
esistono 64 (cioè 43)
possibili codoni per i 20
diversi aminoacidi.
Il codice genetico è quindi
degenerato.
Ciò significa che esistono
più codoni che specificano
lo stesso aminoacido.
La degenerazione del
codice genetico è uno dei
maccanismi mediante il
quale viene garantita
l’integrità dell’informazione
genetica.
19
20
Struttura e funzione dei geni




I geni sono le unità funzionali del genoma cellulare,
la cui trascrizione e successiva traduzione
determina l’espressione di specifiche proteine.
Nei geni degli eucarioti, la sequenza codificante è
suddivisa i segmenti (esoni), che sono separati da
sequenze interposte non codificanti (introni).
L’iniziale prodotto della trascrizione (trascritto
primario), che comprende esoni e introni, va
incontro ad un processo di maturazione posttrascrizionale indicato come splicing dell’RNA.
L’espressione genica è regolata nei diversi tessuti e
tipi cellulari e nei diversi momenti funzionali.
21
22
Controllo dell’espressione
genica



Il controllo dell’espressione genica è ampiamente esercitato a
livello trascrizionale.
Classicamente il gene è stato considerato come un’entità che
codifica un singolo RNA o un prodotto polipeptidico, quindi come
un’unica unità trascrizionale.
In realtà non sono infrequenti una varietà di eventi di
maturazione alternativi che possono portare a prodotti differenti:
 Uso di promotori alternativi - Alcuni geni umani hanno due o
più promotori alternativi, che determinano schemi di
espressione specifici per determinati tipi cellulari.
 Splicing e poliadenilazione alternativi - Molti geni umani
vengono sottoposti a splicing alternativo per produrre
sequenze differenti di mRNA che codificano isoforme
proteiche e che possono essere tessuto specifiche.
23
24
Un esempio di splicing
alternativo estremo



Il gene Dscam della D. Melanogaster contiene 4 regioni di
splicing alternativo a livello degli esoni 4, 6, 9, 17.
Lo splicing alternativo consente di ottenere ben 38.000
differenti mRNA che codificano per altrettante isoforme della
proteina.
Tale numero è 2-3 volte superiore al numero totale di geni
presenti nel genoma di D. Melanogaster.
25
Organizzazione del genoma
umano (1)


Genoma umano è il termine utilizzato per descrivere l’insieme delle
informazioni genetiche contenute nel DNA delle cellule umane.
In realtà esso comprende due genomi:
 Il complesso genoma nucleare, corrispondente a più del 99% del
DNA cellulare
2001
La piccolissima frazione del genoma mitocondriale.
Una considerevole proporzione del genoma umano (circa il 98%) è
costituito da DNA non codificante. In esso si riconosce una cospicua
quantità di DNA ripetitivo (moderatamente, mediamente e altamente
ripetuto)


26
Organizzazione del genoma
umano (2)
~3000 Mb (Genoma aploide)
~20.000-26.000 Geni
27
28
Genoma mitocondriale






Sequenziato nel 1981
DNA circolare a doppia elica (16.6 Kb)
Contiene 37 geni (28 elica H, 9 elica L):
 22 geni per tRNA
 2 geni per rRNA (16S e 12S)
 13 geni per peptidi
I geni sono privi di introni
Piccole differenze nel codice genetico
Eredità materna
29
L’autonomia limitata del
genoma mitocondriale
Componenti mitocondriali
Componenti del sistema di Fosforilazione
ossidativa
I NADH deidrogenasi
II Succinato CoQ riduttasi
III
IV
V
Complesso del citocromo b-c1
Complesso della citocromo c ossidai
Complesso dell'ATP sintetasi
Componenti dell'apparato di sintesi proteica
rRNA
tRNA
Proteine ribosomiali
Altre proteine mitocondriale
Codificati da:
Genoma
Genoma
mitocondriale
nucleare
13 subunità
80 subunità
7
0
42
4
1
10
3
10
2
14
24 RNA
79 proteine
2
22
0
0
0
0
79
Tutte
30
I Cromosomi




Il genoma nucleare è suddiviso in 24 tipi diversi di
molecole di DNA a doppio filamento, a ciascuna delle
quali si associano gli istoni e altre proteine non istoniche
a formare i cromosomi.
Nell’uomo esistono 24 diversi cromosomi, distinti in
 22 autosomi
 2 cromosomi sessuali X e Y
La densità genica varia considerevolmente tra i diversi
cromosomi e nell’ambito di uno stesso cromosoma.
Sebbene molti geni siano presenti nel genoma in unica
copia, altri geni sono membri di famiglie geniche
(prodotto di duplicazioni), con funzioni identiche o
strettamente correlate.
31
Chr
Total DNA (bp)
Euchromatin (bp)
1
245,203,898
218,712,898
2
243,315,028
237,043,673
3
199,411,731
193,607,218
4
191,610,523
186,580,523
5
180,967,295
177,524,972
6
170,740,541
166,880,540
7
158,431,299
154,546,299
8
145,908,738
141,694,337
9
134,505,819
115,187,714
10
135,480,874
130,710,865
11
134,978,784
130,709,420
12
133,464,434
129,328,332
13
114,151,656
95,511,656
14
105,311,216
87,191,216
15
100,114,055
81,117,055
16
89,995,999
79,890,791
17
81,691,216
77,480,855
18
77,753,510
74,534,531
19
63,790,860
55,780,860
20
63,644,868
59,424,990
21
46,976,537
33,924,742
22
49,476,972
34,352,051
X
152,634,166
147,686,664
Y
50,961,097
22,761,097
32
Corredo cromosomico

Il corredo cromosomico umano è costituito da 46
cromosomi:
 22 coppie di cromosomi omologhi (gli autosomi)
derivanti ciascuno da uno dei due genitori, e i due
cromosomi sessuali (XX per la femmina e XY per il
maschio).

Le cellule somatiche hanno un corredo cromosomico
diploide (2n), in cui sono presenti due copie di ciascun
cromosoma.
33
Corredo cromosomico

I gameti (spermatozoi e cellula uovo) sono invece cellule
specializzate che hanno un numero di cromosomi
aploide (n), contengono cioè una singola copia di
ciascun cromosoma.
 Nella specie umana i gameti hanno 23 cromosomi: 22
autosomi e un cromosoma sessuale.
 Dalla fusione di due gameti (maschile e femminile) si
forma lo zigote (diploide) da cui per successive
divisioni cellulari si forma un nuovo individuo
mantenendo inalterato l’assetto cromosomico (46,XX 34
♀, 46,XY ♂).
Impaccamento del DNA nei
cromosomi
35
36
Il ruolo dei cromosomi nella
divisione cellulare




I cromosomi hanno due funzioni correlabili alla divisione cellulare:
 Perpetuare il materiale ereditario durante lo sviluppo di un
individuo.
 Rimescolare il materiale ereditario tra generazioni successive.
Tali funzioni dei cromosomi sono strettamente dipendenti da alcune
loro componenti:

Centromero

Telomeri
Origini di replicazione

Ciascun cromosoma possiede un unico centromero, identificabile
citologicamente nella costrizione primaria, la cui funzione è
essenziale per la migrazione dei cromosomi durante la mitosi e la
meiosi.
I telomeri costituiscono le estremità dei cromosomi. Essi sono
strutture specializzate, costituite da DNA e proteine, che concorrono
a garantire l’integrità del cromosoma
37
Centromero




Il centromero è la regione dove i 2
cromatidi fratelli restano uniti fino
all’anafase ed a cui si legano le fibre del
fuso che ne guidano la migrazione ai
poli.
In metafase il centromero è visibile come
costrizione primaria.
Negli eucarioti, il centromero è
normalmente marcato da una variante
specifica dell’istone H3 (Cen-H3)
 Nell’uomo la variante è CENP-A
Si estende per diverse Mb e contiene
elementi di sequenza ripetuti.
38
Tipi di divisione cellulare:
Mitosi e Meiosi

La mitosi è il normale processo di divisione cellulare, dalla
prima divisione dello zigote alla morte dell’organismo.
 Nel corso della vita avvengono circa 1017 divisioni cellulari.

La meiosi è invece limitata alle cellule della linea germinale.
 In essa si realizzano due successive divisioni cellulari
precedute da un’unica duplicazione del DNA.
 Il risultato sono cellule con corredo cromosomico aploide: i
gameti.

Esistono due differenze fondamentali tra mitosi e meiosi:
 I prodotti della mitosi sono diploidi, mentre quelli della
meiosi sono aploidi.
 I prodotti della mitosi sono geneticamente identici, mentre
quelli della meiosi sono geneticamente differenti.
39
Divisione cellulare


n = num. di differenti cromosomi (23)
C = contenuto di DNA [3,5pg (3,5x10-12g)
Mitosi
Interfase
2n 4C
2n 2C
4n 4C
40
Mitosi
41
Mitosi e Meiosi a confronto
Mitosis
Meiosis
Location
All tissues
Only in testis and ovary
Products
Diploid somatic cells
Haploid sperm and egg
cells
DNA replication and Normally one round of replication
per cell division
cell division
Only one round of
replication but two cell
divisions
Extent of prophase
Short (~30 min in human cells)
Meiosis I is long and
complex; can take years to
complete
Pairing of homologs
None
Yes (in meiosis I)
Rare and abnormal
Normally at least once in
each chromosome arm
Genetically identical
Different (recombination
and independent
assortment of homologs)
Recombination
Relationship between
daughter cells
42
Assortimento indipendente degli
omologhi paterni e materni




Durante la meiosi I, gli omologhi materno e paterno di ciascun
cromosoma si appaiono formando un bivalente.
Ogni cromosoma è in questa fase costituito da due cromatidi fratelli
prodotti della duplicazione del DNA, pertanto ciascun bivalente è
costituito da quattro molecole di DNA a doppia elica.
Per ogni coppia di omologhi, la scelta di quale cromosoma (materno
o paterno) migrerà in una o l’altra delle cellule figlie è del tutto
casuale (assortimento indipendente).
Soltanto come conseguenza dell’assortimento indipendente un
singolo individuo può produrre 8,4x106 gameti differenti.
43
La ricombinazione
(crossing-over)






Nella profase della meiosi I si distinguono
diversi stadi.
Allo stadio di zigotene, ogni coppia di
omolghi forma il complesso
sinaptonemale in cui i due cromosomi
sono saldamente appaiati da una
struttura proteica centrale.
Nello stadio successivo di pachitene ha
luogo la ricombinazione (crossing-over).
La ricombinazione vede una interruzione
fisica della doppia elica di due cromatidi
non fratelli e la loro riunione con scambio
di porzioni variabile dei due cromatidi.
I due omologhi risultano tra loro connessi
a livello di specifici punti detti chiasma,
espressione dell’avvenuto crossing-over.
La ricombinazione e l’assortimento
indipendente dei cromosomi omologhi
consentono ad un singolo individuo di
produrre un numero pressoché illimitato
di gameti geneticamente differenti..
44
Appaiamento X-Y




Nel maschio, c’è il problema dell’appaiamento
in Meiosi I dei cromosomi sessuali.
Il cromosoma X è molto diverso dall’Y.
I cromosomi X e Y si appaiano solo
all’estremità e non per tutta la lunghezza
grazie a brevi regioni di omologia
(pseudoatosomal regions; PAR)
 PAR1 – 2.6 Mb all’estremità del braccio
corto del chr X
 PAR2 – 0.32 Mb all’estremità del braccio
lungo del chr X
I geni presenti in queste regioni:
 Presentano copie omologhe sul chr X e Y
 Nella maggior parte, non sono sottoposti
ad inattivazione trascrizionale a seguito
della condensazione di una delle X nelle
cellule somatiche femminili (X-inactivation)
45
46
Spermatogenesi
Primary spermatocyte



Gli spermatociti primari
vanno in contro a meiosi
La meiosi dura circa 64 gg
Nel maschio la produzione
di gameti è continua dalla
pubertà fino ad età
avanzata.
47
Oogenesi





Gli oociti primari iniziano la meiosi
durante la vita fetale e si arrestano alla
profase I fino alla pubertà
La divisione cellulare è sempre
asimmetrica e il citoplasma è tutto
raccolto in una singola cellula
Dopo la pubertà un solo oocita
riprende la divisione ad ogni ciclo
mestruale e si arresta metafase II
Con l’ovulazione e la fertilizzazione, la
meiosi si completa con l’emissione del
secondo corpo polare.
L’arresto della meiosi può durare
anche 50 anni.
48
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