studio di singoli geni, tramite il loro effetto fenotipico, e delle modalità di trasmissione in famiglie e nelle popolazioni

studio dei geni, della studio dei geni, della struttura molecolare, struttura molecolare, delle funzioni e delle delle funzioni e delle loro interazioni con il loro interazioni con il patrimonio genico e patrimonio genico e con i fattori con i fattori ambientali ambientali 

• circa il 25% di tutti i pazienti in età pediatrica manifestano problemi associati a malattie genetiche/ereditarie

• alcune malattie ereditarie si manifestano molto tempo dopo la nascita (vengono chiamate “ad esordio tardivo”, per esempio il morbo di Alzheimer, la malattia di Huntington)

• alcune malattie ereditarie sono molto più frequenti in alcune popolazioni (per esempio: la fibrosi cistica tra gli Europei, l’anemia falciforme nel Mediterraneo ed in Africa, il Tay­Sachs negli Ebrei askenaziti)

Rilevanza clinica delle malattie genetiche

Malattie genetiche

•Non tutte le malattie genetiche sono ereditarie

•Non tutte le malattie genetiche ereditarie sono congenite

•Non tutte le malattie congenite sono ereditarie

Tumori

malattie genetiche NON ereditarie

malattie genetiche ereditarie NON congenite

Corea di Huntington

Cataratta congenita 

malattie congenite NON genetiche

Coroido­retinite necrotizzante

Idrocefalocongenito

toxoplasmosi

rosolia 

Malattie genetiche

•Geniche semplici (monofattoriali)

•Geniche complesse (poligeniche o polifattoriali)

•Cromosomiche

•Ereditarie

•Modalità di trasmissione mendeliana

malattie geniche semplici (monofattoriali)

Il DNA  è presente in due sedi: nel nucleo e nei mitocondri

Cromosomi: autosomici                   sessuali (X)

Trasmissione non classicaTrasmissione 

mendeliana classica

E r e d it a r i e t à   m e n d e l ia n a   c la s s i c a

• a u t o s o m ic a v s .   X ­ l in k e d

• d o m in a n t e v s .   r e c e s s iv a

I

II

III

1 2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4

Malattie Autosomiche Dominanti

Malattie Autosomiche Dominanti

• Gli eterozigoti per un allele mutante sono affetti• Individui affetti in generazioni multiple• Affetti in ugual misura maschi e femmine• Rischio di ricorrenza 50%• Possibilità di nuove    mutazioni

Malattie Autosomiche RecessiveFibrosi Cistica

Fibrosi Cistica

Fibrosi Cistica

Fibrosi Cistica

Sordità, AR Sordità, AR

Sordità, AR Sordità, AR

Malattie Autosomiche Recessive

• Richiedono due copie dell’ allele mutante

• Gli eterozigoti sono portatori sani (“carriers”)

•  Individui affetti di solito in una sola generazione

• Affetti in ugual misura maschi e femmine

• Rischio di ricorrenza 25%

Da nonno a nipote attraverso le femmine

Daltonismo

Malattie X­linked recessive

M a la t t i e X ­ l in k e d   r e c e s s iv e

• Trasmissione da madri  “carrier” a  figli maschi

• Tutte le figlie di maschi affetti sono “carriers”

• Penetranza e espressività nelle femmine influenzata dall’inattivazione della X

• 1/3 dei caratteri genetici letali, nuove mutazioni

 Rachitismo Vit D resistente

Malattie X­linked recessive

 Rachitismo Vit D resistente

Malattie X­linked recessive

M a la t t i e X ­ l in k e d   d o m in a n t i

• Trasmissione da femmine a figli di entrambi I sessi

• Tutte le figlie di maschi affetti sono affette

• Penetranza e espressività nelle femmine influenzata dall’inattivazione della X

G e n o t ip o v s .  F e n o t ip o• Una mutazione, una malattia

         anemia “sickle cell”, acondroplasia

• Molte mutazioni, una malattia         fibrosi cistica:

          sufficienza pancreatica

              età alla diagnosi

              concentrazione del Cl nel sudore 

• Mutazioni diverse, malattie differenti             RET proto­oncogene:

         malattia di Hirschsprung vs. sindromi cancerose

• Geni multipli, una malattia cancro non­poliposico del colon (diversi geni)

Fattori di complicazione-1

Penetranza:frequenza (probabilità) che un genotipo esprima il fenotipo (clinico)

– la penetranza incompleta di un carattere si manifesta in una proporzione di figli affetti minore di quella attesa dalle proporzioni mendeliane (comunemente il 50% e 25% nei casi di caratteri autosomici rispettivamente dominanti e recessivi)

– molte malattie autosomiche dominanti sono a penetranza incompleta: vengono all’osservazione come fenotipi che saltano una generazione

– si esprime come una percentuale o una frazione di uno

Esempio: Ritardo mentale da sindrome dell’X fragile: penetranza del 80% (8 su 10 con il genotipo della malattia esprimono il fenotipo)

Penetranza incompleta, AD

gravità del fenotipo a parità di genotipo

– individui differenti, pur avendo lo stesso genotipo, possono essere affetti in misura più o meno grave

Esempio: la Neurofibromatosi 1 si può manifestare solo con chiazze caffè latte, neurofibromi multipli, neurofibromi plessiformi o tumori cerebrali

Espressività:

                                 

un gene si manifesta con una varietà di effetti fenotipici

– anomalie morfologiche, biochimiche, fisiologiche, o cliniche multiple

Esempio: la sindrome di Marfan, si manifesta con un ampio spettro di gravità clinica:

Pleiotropia:

difetti a carico dello scheletro, del cuore e degli occhi

Infatti la S. di Marfan è un disordine del connettivo ed essendo questo tessuto diffuso in tutto l’organismo, possono risultare affetti ossa, legamenti, occhio cuore a grandi vasi.

Se ad essere interessata è l’aorta, la malattia può assumere un decorso fatale.

lo stesso fenotipo causato da mutazioni in geni diversi

– mutazioni in geni che codificano per diverse unità o subunità di una proteina, o per proteine che interagiscono con altre proteine, o che agiscono a stadi diversi di un processo metabolico

Eterogeneità genica:

Esempio: Osteogenesis Imperfecta (OI), La tripla elica del collagene di tipo I è formata da 2 catene α1 (codificate sul cromosoma 17) e 1 catena α2 (codificata sul cromosoma 7). Mutazioni nei geni che modificano la produzione o la struttura di queste catene danno luogo a diversi tipi clinici di OI.

Eterozigosi composta:fenotipo causato da eterozigosi per mutazioni diverse nello stesso gene

- Esempio: Emocromatosi (HFE) più spesso sostenuta dalla mutazione C282Y, con decorso severo senza terapia, può anche essere dovuta ad eterozigosi composta per C282Y/H63D: in tal caso l’espressione è lieve e a bassa penetranza

Manifestazione tardiva:

gene mutato presente nel genoma ma con manifestazione in età avanzata- Esempio: Corea di Huntington, malattia neurodegenerativa a lenta ma inesorabile progressione che inizia a manifestarsi mediamente attorno alla 4° decade di vita pur essendo autosomica dominante

Anticipazione:il gene mutato, che di norma si manifesta in età avanzata, tende ad anticipare la sua manifestazione con il passare delle generazioni

- Esempio: Corea di Huntington, tipica condizione che presenta anticipazione* soprattutto se a trasmetterla è il padre.

*Vedremo come questo fenomeno abbia una ben precisa base molecolare

Geni modificatori

geni che influenzano* l’espressione di altri geni.

- Esempio: il carattere “fossetta” delle guance o del mento è ereditato come carattere autosomico dominante ma è sotto l’effetto di un gene modificatore che ne condiziona l’espressione. Il carattere si manifesta solo in opportuni genotipi.

MC Mc mC mc

MC MMCC MMCc MmCC MmCc

Mc MMCc MMcc MmCc Mmcc

mC MmCC MmCc mmCC mmCc

mc MmCc Mmcc mmCc mmcc

Se M è il gene modificatore dominante e C è il gene per la fossetta, vi saranno solo tre genotipi compatibili con la manifestazione del carattere.

* v. penetranza

“Genomic imprinting”Rappresenta un’altra modalità di controllo epigenetico dell’espressione genica e gioca un ruolo fondamentale nello sviluppo animale e vegetale, dove è essenziale ottenere una stabile repressione di geni in specifiche cellule e in epoche ben definite dello sviluppo.

Si dicono soggetti ad “imprinting” quei geni la cui espressione dipende dal fatto che siano ereditati del padre o dalla madre.

Negli ultimi anni è divenuto chiaro che l’effetto “silenziamento” dei geni sottoposti ad “imprinting” è per la maggior parte dovuto alla metilazione del DNA. Gli alleli materni e paterni dei loci “imprinted” possiedono regioni caratterizzate da una metilazione differenziale (differentially methylated regions' - DMRs), dove l’allele non espresso generalmente è maggiormente metilato.

metile

L’imprinting è essenziale per il normale sviluppo dei mammiferi ed è ora noto che rappresenta un fattore determinante per un crescente numero di malattie e neoplasie. Per un normale sviluppo o per una fisiologica funzione i geni “imprinted” devono essere espressi come segue:

Se questo meccanismo viene alterato in modo che sia rappresentato solo l’allele materno o quello paterno, si manifesta una patologia.

-Esempio: nell’uomo la regione 15q11-13 è sottoposta ad imprinting. In caso di delezione* della regione, si avrà la Sindrome di Prader-Willi (PWS) oppure la Sindrome di Angelman (AS) a seconda della provenienza materna o paterna dell’unico allele

allele solomaterno

allele solopaterno

Al momento sono noti almeno una cinquantina di geni sottoposti ad imprinting sia nell’uomo che nel topo, la cui errata trascrizione determina patologie più o meno severe.

Prader-Willi Angelman

* Delezione = perdita (v. oltre)

Disomia uniparentale (UPD)*Nel caso in cui vi siano due copie dell’allele materno e l’assenza del trascritto paterno (assenza degli alleli paterni), ci si trova di fronte alla disomia uniparentale materna. Nel caso in cui siano assenti gli alleli materni e vi sia doppia dose dell’allele paterno si avrà la disomia uniparentale paterna, in entrambi i casi si avrà una iperespressione degli alleli attivi con conseguenze patologiche simili a quelle determinate da difettoso “imprinting”.

-Esempio: per quanto riguarda la regione 15q11-13, la PWS per UPD materna e la AS per l’UPD paterna (20-30% dei casi).

*tre possibili meccanismi (v. oltre)

Meccanismi:

UPD

•Duplicazione di un cromosoma in uno zigote monosomico ("monosomic rescue“).

Tutti questi meccanismi richiedono due errori consecutivi.

•Fecondazione di un gamete con due copie di un cromosoma da parte di un gamete privo di quel cromosoma (“gamete complementation”).

•Perdita di un cromosoma da parte di uno zigote trisomico ("trisomic rescue“).

• “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi I

Cromosomi giallo e blu di originematerna, verde di origine paterna

zigote trisomico

Tre possibilità:•Il cromosoma giallo può venire perso, lasciando quello blu (materno) e quello verde (paterno), Normale

•Il cromosoma blu può venire perso, lasciando quello giallo (materno) e quello verde (paterno), Normale, oppure

rescue

•Il cromosoma verde può venire perso , lasciando quello giallo (materno) e quello blu (materno), UPD*

• “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi I

•Il cromosoma giallo può venire perso, lasciando quello blu (materno) e quello verde (paterno), Normale

Cromosomi giallo e blu di originematerna, verde di origine paterna

Tre possibilità:

zigote trisomico

rescue

Disomia uniparentale materna

•Il cromosoma blu può venire perso, lasciando quello giallo (materno) e quello verde (paterno), Normale, oppure

monosomia

•Il cromosoma verde può venire perso , lasciando quello giallo (materno) e quello blu (materno), UPD*

• “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi I

•Il cromosoma giallo può venire perso, lasciando quello blu (materno) e quello verde (paterno), Normale

Cromosomi giallo e blu di originematerna, verde di origine paterna

Tre possibilità:

zigote trisomico

rescue

Disomia uniparentale materna

* In questo caso si parla di eterodisomia uniparentale

•Il cromosoma verde può venire perso , lasciando quello giallo (materno) e quello blu (materno), UPD*

•Il cromosoma blu può venire perso, lasciando quello giallo (materno) e quello verde (paterno), Normale, oppure

monosomia

• “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi II.

zigote trisomico

Cromosomi blu di origine materna, verde di origine paterna

• “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi II.

Tre possibilità, di cui due identiche:

•Il cromosoma verde può venire perso, lasciando i due blu (materni), UPD*

zigote trisomico

Cromosomi blu di origine materna, verde di origine paterna

•2 volte un cromosoma blu può venire perso, lasciando un blu (materno) e quello verde (paterno), Normale.

Disomia uniparentale materna

rescue

monosomia

• “Trisomic rescue” in seguito a errore in meiosi II.

Tre possibilità, di cui due identiche:

•Il cromosoma verde può venire perso, lasciando i due blu (materni), UPD*

* In questo caso si parla di isodisomia uniparentale

zigote trisomico

Cromosomi blu di origine materna, verde di origine paterna

•2 volte un cromosoma blu può venire perso, lasciando un blu (materno) e quello verde (paterno), Normale.

Disomia uniparentale materna

rescue

monosomia

definizione:

contemporanea presenza di due (o più) linee cellulari con diverso patrimonio genetico nello stesso individuo

Mosaico

mosaico

Cellula indifferenziata(embrionale)

Linea somaticaLinea germinale

Mosaicismo germinale

M

AD

Mosaicismo germinale

Cellula indifferenziata(embrionale)

Linea somaticaLinea germinale

Mosaicismo somatico

M

Linee di Blaschko

Ereditarietà mendeliana non classica

• Eredità mit ocondriale• Patologia da DNA repeat s

Eredit arietà Non- Mendeliana : il Genoma Mitocondriale

•Ereditarietà strettamente materna

•Elevato numero di copie di mtDNA nella maggior parte delle cellule

•La maggior parte delle copie identiche: omoplasmia

•Mutazioni ritrovate solo in alcune copie: eteroplasmia

•Disordini dei tessuti fortemente dipendenti dalla fosforilazione ossidativa (cuore, muscoli scheletrici, SNC)

•Variabilità clinica dovuta all’eteroplasmia nei tessuti bersaglio

•Esempi: neuropatia ottica ereditaria di Leber

•Encefalomiopatia mitocondriale con “ragged-red muscle fibers” (MERRF)

Eredità mitocondriale

Atrofia nervo ottico di Leber

Patologia da “DNA repeats”

NB = Mutazioni instabili o dinamiche

Malattie associate ad espansioni ripetute di trinucleotidi

Le espansioni ripetute di trinucleotidi interferiscono con l’espressione del gene o della proteina codificata

Patologia da “DNA repeats”

Le espansioni ripetute di trinucleotidi interferiscono con l’espressione del gene o della proteina codificata

Patologia da “DNA repeats”

Le espansioni ripetute di trinucleotidi interferiscono con l’espressione del gene o della proteina codificata

Patologia da “DNA repeats”

Le espansioni ripetute di trinucleotidi interferiscono con l’espressione del gene o della proteina codificata

Patologia da “DNA repeats”

•Premutazione (fenotipo normale)

Mutazione instabile o dinamica

Il numero di triplette è soggetto a “espansione”, cioè ad aumentare con il passare delle generazioni

•mutazione piena

Numero normale di alleli: ~ 20-40 (stabili)Numero intermedio: premutazione ~55-200, (instabili): possono espandersi fino a mutazione piena (>200) solo se trasmessi per via materna

Es. Sindrome X fragile (FRAX o Sindrome di Martin-Bell)La più comune causa di ritardo mentale dopo la Sindrome di Down