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Cariotipo umano 1956 Accertamento del no. di cromosomi, i 23 cromosomi dellassetto aploide vengono suddivisi in 7 gruppi (A-G) sulla base delle dimensioni e della posizione del centromero 1970 Introduzione delle tecniche di bandeggio: diventa possibile individuare i singoli cromosomi Braccio corto = p Braccio lungo = q Le bande vengono numerate con numeri progressivi dal centromero verso i telomeri

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Cariotipo umano di un individuo di sesso maschile

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Cariotipo umano di un individuo di sesso femminile

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Bandeggio di un cromosoma umano a diversi livelli di risoluzione

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UN PO DI NOMENCLATURA 46, XXcariotipo normale femminile 46, XYcariotipo normale maschile Anomalie di numero45, X 47, XX +21 47, XXX Anomalie di struttura delezioni 46, XY, del(4)(p16.3) 46, XX, del(5)(q13q33) inversioni 46, XY, inv(11)(p11p15) duplicazioni 46,XX, dup(1)(q22q25) inserzioni 46, XX, ins(2)(p13q21q31) traslocazioni reciproche 46, XX, t(2;6)(q35;p21.3) traslocazioni Robertsoniane 45, XY, der(14;21)

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Genoma umano aploide ca. 3000 Mb (= 3 x 10 9 bp) Cromosoma X ca. 155 Mb pari al 5% del genoma aploide, contiene pi di 1000 geni molti dei quali housekeeping Cromosoma Y ca. 60 Mb pari al 2% del genoma aploide, contiene qualche decina di geni per lo pi coinvolti nella formazione del testicolo e nella produzione di spermatozoi

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Due zone di omologia X-Y poste alle due estremit dei cromosomi, vengono indicate con la sigla PAR (Pseudo Autosomal Region) PAR1 (o primaria) estremit del braccio corto, grande ca. 2.6 Mb PAR2 (o secondaria) estremit del braccio lungo, grande ca. 320 Kb Queste due regioni, durante la meiosi maschile, si appaiano e vanno incontro a ricombinazione PAR1 PAR2

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Perch si ipotizzato lesistenza di un meccanismo di compensazione del dosaggio genico (o pi precisamente della differenza di dosaggio genico)? 1)Le aneuploidie dei cromosomi sessuali, a differenza di quelle a carico degli autosomi, sono compatibili con la vita, e, in alcuni casi, non comportano fenotipi anormali 47, XXX femmine normali, talvolta sterili 47, XXY (sindrome di Klinefelter) maschi sterili, talvolta con lieve ritardo mentale 45, X0 (sindrome di Turner), statura inferiore alla media, sterilit, altre anomalie di sviluppo generalmente non gravi 48, XXXX o XXXY sintomatologia pi grave delle precedenti, ma comunque condizione compatibile con la vita 2)La quantit di prodotto genico di geni del cromosoma X uguale in maschi e femmine, nonostante il fatto che i maschi abbiamo una sola copia del gene e le femmine due Esempio attivit enzimatica della G6PD (Glucosio-6-Fosfato Deidrogenasi)

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Nei mammiferi, a differenza che in altri organismi (es. Drosophila), la compensazione del dosaggio genico raggiunta attraverso linattivazione di uno cromosoma X nelle cellule somatiche che ne contengono due In cellule con aneuploidie dei cromosomi sessuali viene mantenuto attivo un solo cromosoma X, questo spiega il fenotipo pressoch normale di soggetti con cromosomi sessuali in eccesso o in difetto Agli inizi degli anni 60 Mary Lyon ed Ernest Beutler sono arrivati in modo indipendente a dimostrare lesistenza dellinattivazione del cromosoma X Beutler studio del gene Gd nelluomo Lyonstudio di un gene che controlla il colore del pelo nel topo

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Linattivazione : casuale (in media il 50% delle cellule inattiva lX ereditato dal padre e il 50% quello ereditato dalla madre) mantenuta clonalmente (le cellule figlie mantengono lo stesso pattern di inattivazione della cellula madre) precoce Caratteristiche del cromosoma X trascrizionalmente inattivo: mantiene attive alcune regioni (le due PAR ed altri geni interspersi in regioni inattive) assume un aspetto eterocromatico in interfase (corpo di Barr) acquista le caratteristiche del DNA inattivo (metilazione dei residui di Citosina, ipoacetilazione degli istoni, replicazione del DNA nella tarda fase S)

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In cellule euploidi o con aneuploidie dei cromosomi sessuali, in interfase sono visibili 0, 1, 2 o 3 corpi di Barr a seconda del numero di cromosomi X presenti nella cellula Il corpo di Barr stato scoperto alla fine degli anni 40 e, quando stata scoperta linattivazione del cromosoma X, si ipotizzato che potesse essere lespressione morfologica dellX inattivo Corpo di Barr struttura eterocromatica visibile in interfase addossato alla parete interna della membrana nucleare

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Nucleo di una cellula in interfase con 1 corpo di Barr Nucleo di una cellula in interfase con 3 corpi di Barr

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Come avviene linattivazione? Processo multi-step: 1)conteggio dei cromosomi X presenti nella cellula (anche rispetto agli autosomi); 2)scelta del(dei) cromosoma(i) X da inattivare, uno per ogni assetto diploide; 3)inizio dellinattivazione; 4)sua diffusione alla quasi totalit del cromosoma; 5)mantenimento dello stato inattivo linattivazione non sequenza-specifica (sequenze autosomiche traslocate sullX possono essere inattivate) Tutte queste funzioni sono mediate da sequenze di DNA che si trovano nella regione Xq13 e da loci autosomici

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La regione Xq13 contiene quindi lX-Inactivation Center (XIC), questa regione stata suddivisa in sottoregioni coinvolte nei singoli step del processo di inattivazione inizio anni 90 identificazione del primo gene coinvolto nellinattivazione XIST (X Inactive Specific Transcript) lunico gene espresso solo dal cromosoma X inattivo codifica un RNA senza ORF di ca. 17 Kb che sembra rivestire il cromosoma X inattivo Attualmente sono stati identificati altri geni necessari per il processo di inattivazione, ma le basi molecolari di questo fenomeno non sono ancora completamente note

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Linattivazione sempre casuale? NO si osserva deviazione dalla casualit quando uno dei cromosomi X della cellula porta una copia del gene XIST (necessario per dare inizio allinattivazione) non funzionante o quando si ha una traslocazione bilanciata X-autosoma. In questi casi linattivazione in origine casuale, ma le cellule che inattivano lX coinvolto nella traslocazione inattiveranno anche geni autosomali e questo le render selettivamente svantaggiate rispetto alle altre cellule

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Pattern di inattivazione nelle cellule della linea germinale: entrambi i cromosomi X degli oogoni sono attivi, lunico cromosoma X degli spermatogoni inattivo

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Linattivazione del cromosoma X responsabile della grande variabilit clinica delle malattie dovute a geni che mappano su questo cromosoma la gravit del fenotipo clinico dipender dalla proporzione di cellule che hanno mantenuto attivo il cromosoma X con lallele mutante

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Imprinting genetico Espressione differenziale di materiale genetico a seconda che esso sia stato trasmesso dal padre o dalla madre. I geni soggetti a imprinting sono presenti in duplice copia, ma di essi viene espressa una sola copia Espressione monoallelica di geni biallelici

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Concetto contrario alle leggi di Mendel secondo le quali lorigine materna o paterna di uninformazione non ne influenza lespressione (equivalenza degli incroci reciproci) Geni imprintati nel padre sono silenziati durante la spermatogenesi la copia fornita dal padre non viene espressa, rimane attiva solo quella fornita dalla madre Geni imprintati nella madre sono silenziati durante la oogenesi la copia fornita dalla madre non viene espressa, rimane attiva solo quella fornita dal padre

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pedigree di una malattia dovuta ad un gene soggetto a imprinting silenziato durante la oogenesi ( attiva solo la copia fornita dal padre) il rapporto maschi : femmine tra gli affetti 1:1, una femmina malata non trasmette MAI la malattia, che pu ricomparire per nei suoi nipoti (figli dei suoi figli maschi)

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PROVE DELLESISTENZA DELLIMPRINTING esperimenti di trapianti di pronuclei nel topo: creazione di zigoti androgenetici e ginogenetici zigoti ginogenetici 2n cromosomi TUTTI di derivazione femminile zigoti androgenetici 2n cromosomi TUTTI di derivazione maschile embrioni abortivi strutture extraembrionarie pressoch assenti, embrione quasi normale embrioni abortivi iperplasia del trofoblasto, embrione pressoch assente CONTROLLI zigoti normali ottenuti con trasferimento di pronuclei 2n cromosomi, n forniti da un maschio e n da una femmina embrioni normali la manipolazione di per s non impedisce il normale sviluppo

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Esistono due patologie umane paragonabili agli zigoti ginogenetici e androgenetici: teratomi, 2n cromosomi forniti SOLO dalla madre mole idatiforme, 2n cromosomi forniti SOLO dal padre I triploidi (3n cromosomi = 69) sono tutti abortivi, ma il fenotipo dei 2n P 1n M diverso da quello dei 2n M 1n P, nei primi si osserva uniperplasia delle strutture extraembrionarie e assenza dellembrione vero e proprio, viceversa, nei secondi si hanno strutture extraembrionarie quasi assenti e embrione pressoch normale Alcune disomie cromosomiche uniparentali (UPD) (entrambi i cromosomi di una coppia forniti dallo stesso genitore) hanno effetti fenotipici diversi dettati dal sesso del genitore che ha fornito la coppia di cromosomi PROVE DELLESISTENZA DELLIMPRINTING NELLUOMO

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Si stima che nelluomo i geni soggetti a imprinting siano dellordine di 200, si trovano sulle seguenti regioni cromosomiche: 6, 7q, 11p, 14q, 15q11-q13, 20

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molto spesso i geni soggetti a imprinting sono riuniti in cluster contenenti geni imprintati nella madre e geni imprintati nel padre i due cluster omologhi mostrano metilazione differenziale (ma non sempre la metilazione a carico dellallele non espresso) nei cluster sono in genere presenti sia geni strutturali (il loro prodotto finale una catena polipeptidica) sia geni che producono RNA non codificanti

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Limprinting deve essere risettato ad ogni generazione

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Sindrome di Beckwith-Wiedemann (BWS) (1) Malattia dovuta a un gene soggetto a imprinting nella madre ( attiva solo la copia fornita dal padre) causata da acquisizione di funzione. Il gene mappa in 11 p 15 PMPM PMPM PMPM Nei soggetti normali espressa solo la copia paterna La duplicazione sul cromosoma paterno ha come conseguenza un raddoppiamento del prodotto genico ed insorgenza della malattia La duplicazione sul cromosoma materno senza conseguenze perch la copia sovrannumeraria non viene espressa

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PMPM Sindrome di Beckwith-Wiedemann (BWS) (2) PMPM Una mutazione nel centro di imprinting impedisce il silenziamento del gene in cis La mutazione sul cromosoma paterno non si hanno conseguenze fenotipiche perch la copia che non pu essere spenta comunque destinata ad essere espressa La mutazione sul cromosoma materno lindividuo malato perch ha due copie attive del gene

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Sindrome di Prader-Willi (PWS) - malattia dovuta ad assenza della funzione del gene PWS ( si tratta di vari geni che per semplicit vengono qui considerati come un unico gene ), gene soggetto ad imprinting nella madre ( espressa solo la copia fornita dal padre) che mappa in 15 q 11-13 Sindrome di Angelman (AS) - malattia dovuta ad assenza della funzione del gene AS, gene soggetto ad imprinting nel padre ( espressa solo la copia fornita dalla madre) che mappa in 15 q 11-13, cio nella STESSA regione del gene PWS Entrambe le malattie possono essere dovute a: 1.delezione dellintera regione cromosomica 15 q 11-13; 2.disomia uniparentale (UPD) (materna nella PWS, paterna nella AS); 3.errore di imprinting; 4.solo per la sindrome di Angelman: mutazione nella copia materna del gene AS

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PWSAS PMPM Pattern di espressione nel soggetto normale: sono espressi il gene PWS del cromosoma paterno ed il gene AS del cromosoma materno PMPM PMPM La delezione sul cromosoma Paterno assenza della funzione del gene PWS, si ha Sindrome di Prader-Willi La delezione sul cromosoma Materno assenza della funzione del gene AS, si ha Sindrome di Angelman

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PWSAS PPPP Disomia Uniparentale (UPD) Paterna assenza funzionale del gene AS Sindrome di Angelman PWS AS MMMM UPD Materna assenza funzionale del gene PWS Sindrome di Prader-Willi PWSAS PMPM mutazione nel centro di imprinting sul cromosoma P che non pu essere risettato e viene trasmesso con unimpronta di tipo Materno assenza funzionale del gene PWS Sindrome di Prader-Willi PWSAS mutazione nel centro di imprinting sul cromosoma M che non pu essere risettato e viene trasmesso con unimpronta di tipo Paterno assenza funzionale del gene AS Sindrome di Angelman PMPM

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UPD = UniParental Disomy = disomia uniparentale entrambi gli omologhi di una coppia vengono ereditati dallo stesso genitore Non si ha unalterazione quantitativa rispetto al normale, ma per quel particolare cromosoma linformazione genetica proviene da un solo genitore Le UPD sono in genere dovute a recupero di una trisomia (un embrione trisomico che in una fase estremamente precoce dello sviluppo perde un membro della tripletta di omologhi)