Difetti Enzimatici Archibald Garrod e l’alcaptonuria: La nascita della Genetica biochimica L’alcaptonuria.... 33 anni prima della formulazione della teoria “un gene-un enzima” di Beadle e Tatum Al contrario degli individui normali, l’acido omogentisico somministrato somministrato ai pazienti alcaptonurici veniva escreto Conclusioni di Archibald Garrod 1. I singoli passaggi del metabolismo sono opera di enzimi individuali 2. In alcuni individui esiste un blocco di una tappa del metabolismo con conseguente accumulo del substrato 3. Questa caratteristica è ereditaria e può essre trasmessa come carattere recessivo 4. Riconobbe il principio dell’individualità chimica e genetica anche per le idiosincrasie verso cibi e farmaci Esempio di malattie umane derivate da deficit enzimatici causate da difetti in geni singoli Difetti enzimatici Concetti generali • Le enzimopatie sono quasi sempre recessive (perdita di funzione) • Accumulo del substrato e deficienza del prodotto • Substrati diffusibili versus substrati accumulati in tessuti specifici (macromolecole) • Deficit enzimatici multipli (cofattore comune) • Omologie fenotipiche (comune via metabolica) Relazioni tra Genotipo e Fenotipo nelle malattie genetiche DIFETTI ENZIMATICI: Iperfenilalaninemia Accumulo di acido fenilpiruvico danno cerebrale BH4: tetraidrobiopterina Test di Guthrie Inibizione della crescita batterica da parte della beta-2-tienilalanina è sbloccata dalla presenza di elevate concentrazioni di fenilalanina (> 4mg/dl) L’iperfenilalaninemia come prototipo di malattia da sottoporre a screening neonatale Mutazioni PKU (grande eterogeneità allelica) Elevato numero di eterozigoti composti Correlazione genotipo-fenotipo Diverse forme di iperfenilalaninemia • Difetti della fenilalanina idrossilasi • PKU classica • PKU variante • Iperfenilalaninemia non-PKU • Difetti nel metabolismo della tetraidropterina (terapia diversa dalla PKU) • Fenilchetonuria materna Eterogeneità delle frequenze alleliche associate a malattie autosomiche recessive nelle diverse popolazioni Vantaggio dell’eterozigote, deriva genetica, effetto fondatore Mucopolisaccaridosi • Accumulo dei mucopolisaccaridi o glicosamminoglicani (GAGs) nei lisosomi per deficit enzima degradativo • Eccesso GAGs nelle urine • Interessamento multi-sistemico • Diverse patologie • Test di complementazione Il test di complementazione permette di scoprire se le mutazioni sono in geni diversi piastra A B A cellula Co-coltivazione B Formazione di eterocarionte mediante fusione cellulare Iduronato-2-solfatasi Eparan-sulfamidasi Malattia I-Cell (difetto enzima modificatore) • Difetto dell’enzima N-acetylglucosamine-1phosphotransferase che trasferisce il gruppo fosfato al mannosio del mannosio-6-fosfato • Assenza del segnale per dirigere le proteine nei lisosomi • Presenza di inclusioni nel citoplasma • Anomalie facciali, scheletriche, grave ritardo della crescita e mentale Deficit di alfa1-antitripsina (inibitore serin-proteasi) • Autosomica recessiva • Riduzione della inibizione dell’elastasi • Patologia ostruttiva del polmone (enfisema) e cirrosi epatica • Accumulo α1-AT nel RER del fegato • Progressione dell’enfisema favorita dal fumo • Esempio di interazione con fattori ambientali Z Influenza del fumo sul fenotipo del deficit di α1-AT Ipercolesterolemia familiare (autosomica dominante) •Mutazioni gene Recettore LDL •Placche ateromatose, cardiopatia, xantomi (depositi di colesterolo) •Effetto di dosaggio genico •5% degli individui con ipercolesterolemia 5 Diverse classi di mutanti del recettore per le LDL Brown e Goldstein, 1979 Localizzazione delle mutazioni nel gene del recettore delle LDL Mutazioni del gene del recettore LDL Crossing-over ineguale tra elementi ripetuti di tipo Alu Ruolo delle sequenze ripetitive nelle patologie e nell’evoluzione Mutazioni del dominio citoplasmatico Deficit di internalizzazione