Definizioni

LOCUS: regione cromosomica unica che corrisponde ad un gene o altra sequenza di DNA ALLELE: sequenza alternativa di un gene

Eterozigote: individuo con alleli diversi allo stesso locus (Aa) Omozigote: individuo con alleli identici ad uno stesso locus (AA o aa)

CARATTERI MENDELIANI AUTOSOMICI: codificati da geni su cromosomi non sessuali (22 paia di autosomi) LEGATI AL CROMOSOMA X/Y DOMINANTI: sempre manifesti RECESSIVI: manifesti solo in condizione di omozigosi 3

Espressione fenotipica delle mutazioni

Perdita/acquisizione di funzione Il prodotto può avere una riduzione o perdita di funzione Il prodotto può funzionare in modo anomalo, e quindi acquisire una diversa funzione

Perdita di funzione Fenotipi recessivi per cui la metà del prodotto normale è sufficiente, ma a volte non lo è determinando quella condizione nota come aploinsufficienza. L'aploinsufficienza determina un fenotipo anomalo che si eredita come carattere dominante. Inoltre il prodotto dell’ allele mutato può avere effetto dominante negativo quando impedisce il funzionamento del prodotto dell’ allele normale

Acquisto di funzione Alterazioni a carico dei circuiti di controllo o di segnalazione Caratteri dominanti perché la presenza di un allele normale non può impedire all’ allele mutato di comportarsi in modo anomalo Il prodotto presenta CARATTERISTICHE NUOVE

Effetto del tipo e della localizzazione delle mutazioni sulla funzionalità genica Mutazione extragenica Nessun effetto In casi rari possono inattivare elementi di regolazione necessari per l’espressione di quel gene Delezioni di uno o più geni Abolizione Delezioni di un esone Abolizione o modificazione Slittamento modulo di lettura, proteina instabile Delezioni di un gene Alterata dose genica Mutazione intraesonica abolizione Perdita/cambiamento di aa importanti Slittamento codice di lettura Introduzione di codoni di stop Mutazioni del sito di splicing Abolizione o modulazione dell’espressione GT/AG Mutazioni nel promotore La delezione completa ne abolisce la funzione Mutazione nel codone di terminazione modificazione Vengono aggiunti aa dinchè non viene raggiunto un altro sito di stop Mutazione nel segnale di poliA

Non tutte le varianti di sequenza sono necessariamente patogene. E’ necessario un test funzionale in vitro o in vivo per dimostrare che il cambiamento in un gene ne abbia cambiato la funzionalità

Classificazione malattie ereditarie

Le Malattie Genetiche Sono Molto Frequenti Nel corso della vita: 670 per ogni 1000 individui Il 50% degli aborti spontanei sono riconducibili ad alterazioni geniche Circa 1% di nuovi nati ha alterazioni cromosomiche Il 5 % di persone al di sotto dei 25 anni sviluppano malattie riconducibili a disordini genetici Sono compresi però sia disordini genetici classici (cioè ereditari) sia altre malattie riconducibili a disordini genetici ex.: cancro (genetiche ed ambientali) malattie cardiovascolari (genetiche e ambientali) Queste sono le principali cause di morte nel mondo occidentale

Classificazione delle malattie ereditarie Mendeliane (mutazione di singoli geni con vario effetto) Multifattoriali (genetici e ambientali) Malattie da singolo gene con trasmissione non mendeliana (ex. espansione da triplette, malattie mitocondriali)

(mutazione di singoli geni con vario effetto) Mendeliane (mutazione di singoli geni con vario effetto) Autosomiche dominanti (ex. Ipercolesterolemia Familiare) Autosomiche recessive (ex. Fibrosi cistica) Sex-Linked (ex. Emofilia A)

Malattie a trasmissione autosomica dominante

Autosomiche Dominanti (I) Manifeste clinicamente allo stato eterozigote (maschi e femmine affetti in egual misura)

Eredità autosomica dominante

Eredità autosomica dominante Caratteristiche di trasmissione Singola dose dell’allele mutato Trasmissione verticale dell’allele mutato all’interno dell’albero genealogico Eguale rapporto maschi/femmine che ereditano l’allele mutato Il 50% dei figli nati da genitori affetti manifestano la stessa malattia

Autosomiche Dominanti (II) - Fenotipo influenzato da: penetranza (% di individui che, avendo il gene mutato, manifesta il fenotipo) espressivitá (grado di gravità del fenotipo)

Irregolarità della trasmissione autosomica dominante Penetranza Percentuale di individui con un dato genotipo (Aa) e che manifestano il carattere associato con quel genotipo Es: acondroplasia: penetranza del 100% Espressività variabile Esprime la gravità fenotipica di un certo genotipo nell’ambito di una famiglia Es: distrofia miotonica: alcuni pazienti possono avere solo alcuni dei segni clinici (cataratta)

Irregolarità della trasmissione autosomica dominante Penetranza incompleta ed espressività variabile spiegano “apparenti” salti di generazione

Eredità autosomica dominante Irregolarità della trasmissione autosomica dominante Mutazione “de novo” Espressività variabile Penetranza

Autosomiche dominanti (ex. Familial Hypercholesterolemia) E’ una malattia recettoriale causata da una mutazione nel gene codificante: Il recettore per Low-density lipoprotein (LDL) coinvolto nel trasporto e metabolismo del colesterolo che causa un elevato livello di colesterolo nel plasma (2-3 volte rispetto alla media) Caratteristiche soggetti affetti (1/500): lesioni aterosclerotiche (in età precoce) infarto e/o ictus cerebrale a insorgenza giovanile Xantomi (accumuli di grasso) tendinei e cutanei

CLASSIFICAZIONE DELLE MUTAZIONI LDLr BASATA SULLA FUNZIONE DELLE PROTEINE MUTATE Il gene per LDLr è situato sul cromosoma 19, comprende 18 esoni e 5 domini. Sono state mappate almeno 150 mutazioni che differentemente modificano la proteina

ACONDROPLASIA Circa 200 forme di nanismo Achondroplasia è la forma più comune, circa la metà di tutti i casi 1/26,000 -1/40,000 nascite

Acondroplasia Autosomica dominante a penetranza completa Effetto dell’età paterna Altezza media maschi adulti: 131 cm altezza media femmine adulte: 124 cm Sistema scheletrico: osteocondrodisplasia, arti prossimali più corti (nanismo rizomelico) Causata da mutazione del gene FGFR3

FGFR3 Recettore del fattore di crescita dei fibroblasti: FGFR3: fibroblast growth factor receptor 3 Recettore del fattore di crescita dei fibroblasti: proteine transmembrana con attività tirosinchinasica e tre domini Ig-like I FGF sono coinvolti nei processi di mitosi/differenziazione/angiogenesi

Correlazione genotipo-fenotipo: i recettori dei fattori di crescita dei fibroblasti 4 geni, ognuno codifica per 12 isoforme diverse mediante un meccanismo di splicing alternativo Formano omo/eterodimeri e riescono a legare fino a 9 diversi fattori di crescita

FGFR Tutte le mutazioni sono ad effetto dominante negativo, perché il recettore è attivato costitutivamente Molte mutazioni cadono nei FGFR2 e FGFR3 tra il secondo e terzo dominio immunoglobulinico dove influenzano la flessibilità della molecola

Eterogeneità genetica Differenti sindromi, stesso gene - mutazioni FGFR2 Stessa sindrome, geni differenti Sindrome di Pfeiffer, FGFR1 e FGFR2 Differenti sindromi, stessa mutazione Pfeiffer o Crouzon, Cis342Arg

ETEROGENEITA’ GENETICA: mutazioni diverse possono originare un fenotipo simile ETEROGENEITA’ ALLELICA: mutazioni diverse all’interno dello stesso locus ETEROGENEITA’ DI LOCUS: mutazioni in loci differenti causano la stessa patologia 14

FGFR2:Sindrome di Apert FGFR3: Displasia Tanatoforica –craniosinostosi di Muenke FGFR2: Crouzon FGFR3:ipocondroplasia FGFR3: Displasia Tanatoforica –acondroplasia FGFR3: Displasia Tanatoforica Ig II Ig III TM TK1 TK2 Ig I

Malattie a trasmissione autosomica recessiva

MALATTIE MONOGENICHE EREDITA’ AUTOSOMICA RECESSIVA Caratteristiche Sono necessarie due copie dell’allele mutato per causare la malattia I portatori hanno il 25% di rischio di avere figli affetti Maschi e femmine sono ugualmente affetti Spesso coinvolgono geni che codificano per enzimi

CONSANGUINEITA’: PRIMI CUGINI Il rischio aumenta in caso di consanguineità Quindi due cugini primi rischiano il 6% di avere un figlio OMOZIGOTE AFFETTO

Autosomiche Recessive (I) Entrambi i geni devono essere mutati L’espressione e’ piu’ uniforme rispetto alle malattie autosomiche dominanti Penetranza completa e’ comune In molti casi le proteine (in particolare quelle enzimatiche) sono affette da perdita di funzione Pedigree di un carattere recessivo Consanguinei

Autosomiche Recessive (III) (ex. FIBROSI CISTICA) La fibrosi cistica (FC), la più frequente malattia ereditaria a esito letale nella popolazione bianca, si verifica negli USA in circa 1/3300 nati vivi di pelle bianca, incidenza inferiore in soggetti di origine afro-americana oppure asiatico-americana; il 30% dei pazienti è costituito da adulti. Circa il 3% della popolazione caucasica è portatore del gene della FC, che si trasmette con modalità autosomica recessiva. Il gene responsabile è stato localizzato sul braccio lungo del cromosoma 7. Esso codifica per una proteina associata alla membrana detta proteina regolatrice transmembrana della fibrosi cistica (Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator, CFTR). La mutazione genetica più comune, DF508, determina l'assenza di un residuo fenilalaninico nella posizione 508 della proteina CFTR e si riscontra in circa il 70% degli alleli della FC; più di 600 mutazioni meno frequenti danno luogo al rimanente 30%. La funzione di CFTR fa parte di un canale del cloro cAMP-dipendente che regola il trasporto di Cl e Na attraverso le membrane epiteliali. Gli eterozigoti possono mostrare lievi anomalie del trasporto epiteliale ma sono asintomatici.

Autosomiche Recessive (III) (ex. FIBROSI CISTICA) Codifica una proteina di 1480 aminoacidi situata sulla membrana cellulare delle cellule epiteliali, la cui funzione, normalmente, è quella di trasportare il cloro attraverso la membrana apicale delle cellule epiteliali delle vie aeree, del pancreas, dell'intestino, delle ghiandole sudoripare, delle ghiandole salivari e dei vasi deferenti

Autosomiche Recessive (III) (ex. FIBROSI CISTICA) Eterogeneità clinica Le persone affette da assenza congenita bilaterale dei dotti deferenti o da altre cause di azoospermia ostruttiva presentano una frequenza aumentata di mutazioni in uno o entrambi i geni CFTR oppure una mutazione a penetranza incompleta (5T) in una regione non codificante della CFTR. Queste persone generalmente non manifestano alcun disturbo respiratorio o pancreatico e possono avere nel sudore concentrazioni di Cl normali, al limite o elevate.

CARATTERISTICHE Coinvolge: ghiandole esocrine, epiteli respiratori, intestinali e riproduttivi produzione di secrezioni mucose viscose che causano: Infezioni polmonari Insufficienza pancreatica Cirrosi epatica Infertilità maschile Occlusioni intestinali Malnutrizione Negli organi interessati, le secrezioni mucose, essendo anormalmente viscide, determinano un'ostruzione dei dotti principali, provocando l'insorgenza di gran parte delle manifestazioni cliniche tipiche della malattia

Disfunzione Ghiandole Sudoripare Ridotto assorbimento Na+ Cl- Il rischio di disidratazione, specialmente nel periodo estivo, è molto elevato

Disfunzione Vie Aeree Superiori Aumento assorbimento Na+/H2O

Mutazioni del gene CFTR Si presentano in modalità diversa nelle varie popolazioni, sia per tipologia che per frequenza. Tutti i tipi di mutazioni sono state descritte all’interno del gene CFTR Queste mutazioni determinano una disfunzione della proteina CFTR attraverso numerosi meccanismi molecolari, in base ai quali è possibile raggrupparle in 5 differenti classi La fibrosi cistica mostra espressività variabile ed eterogeneità clinica

FIBROSI CISTICA ESPRESSIVITA’ Classe I: non c'è produzione di proteina Classe II: si ha produzione di un corto peptide non funzionante Classe III: si produce un polipetide non funzionante Classe IV: si produce una proteina difettosa ma in minima parte funzionante Classe V: si produce una proteina normale ma in minime quantità Classe WT: la proteina normale è prodotta nelle giuste quantità (soggetto sano)

Fibrosi cistica classica Funzionalità CFTR residua assente Severità della malattia severa lieve Fibrosi cistica classica Fibrosi cistica non classica

Malattie a trasmissione recessiva legata al sesso

Eredità X-linked recessiva La maggior parte delle mutazioni presenti sul cromosoma X sono recessive e quindi si manifestano solo nei maschi (per la loro condizione di emizigoti) Albero genealogico di un carattere recessivo legato all’X: .

X X = Femmina portatrice A = portatore allele sano a = portatore allele mutato A A X X = Femmina normale A a X X = Femmina portatrice a a X X = Femmina malata (evento raro!) a A X X = Femmina malata (lyonizzazione) A X Y = Maschio normale a X Y = Maschio malato

Caratteristiche eredità X-linked: portatrice e il padre è affetto: 1) Il carattere si manifesta solo nei maschi: Una donna, infatti, può essere affetta solo se (evento raro) la madre è portatrice e il padre è affetto: X Y X X a A a X X Probabilità=1/2

. Assenza di trasmissione da maschio malato a figlio (perché il maschio non trasmette l’X ai figli maschi): X Y X X X Y X Y a A A X X X X A A A a A a . Probabilità di un Figlio maschio malato= 0

3) Presenza, in tutte le figlie di un maschio malato, dell’X mutato del padre: tutte le figlie sono perciò eterozigoti (portatrici sane): X Y X X X Y X Y X X X X a A A A A A a A a . Probabilità che la figlia femmina di un maschio malato sia portatrice=1

. . . 4) Le femmine eterozigoti (portatrici sane) trasmettono la mutazione al 50% dei figli maschi (MALATI) e al 50% delle figlie femmine (PORTATRICI): a A A X Y X X Da una femmina portatrice: . . -Probabilità che un figlio maschio sia malato = 1/2 -Probabilità che una figlia femmina sia portatrice=1/2 A X Y A a A A a X Y X X X Y X X A . A a A A A a X Y X Y X X X

DISTROFIA MUSCOLARE DI DUCHENNE: X-LINKED RECESSIVA

X-Linked Recessivo (ex. Emofilia A) Causata dalla riduzione della quantità o dell’attività del fattore VIII VIII fondamentale per l’attivazione del fattore X Fenotipo alcune volte riscontrato anche in femmine eterozigoti (causato dall’inattivazione del cromosoma X wt nella maggior parte delle cellule) La severità della malattia correla con il tipo di mutazione (più l’attività del fattore VIII e’ bassa maggiore e’ la severità del fenotipo)

TRASMISSIONE X-LINKED DOMINANTE Genotipo maschio-quadrato/femmina-cerchio = vuol dire che rappresenta più di un soggetto sia maschio che femmina, il numero indica quanti soggetti

DOMINANTI: Mai trasmissione maschio-maschio Tutte le figlie di un maschio affetto erediteranno il carattere Studiando molte famiglie affette dalla malattia, il numero delle femmine affette sarà il doppio dei maschi Le femmine avranno una condizione patologica più lieve rispetto ai maschi in quanto hanno un cromosoma X sano. RACHITISMO IPOFOSFATEMICO: bassi livelli di fosfato nel sangue ed alti nelle urine, bassa statura e deformità ossea

Eccezioni ai rapporti attesi per eredità X-linked: X Y X X a A A X X A a ???!!! Inattivazione preferenziale (non casuale!) della X di origine materna (lyonizzazione sfavorevole) A Delezione terminale Xq : viene preferenzialmente inattivato il cromosoma deleto piuttosto che X -Delezione di X-ist su X : non è in grado di essere inattivato -Traslocazione X /autosoma: viene preferenzialmente inattivato l’X non traslocato - Monosomia del cromosoma X (45,X0) (Sindrome di Turner) a A

Inattivazione del cromosoma X Nelle femmine (XX) esiste un meccanismo atto alla compensazione del dosaggio genico (chiamato anche lyonizzazione, dal nome della scopritrice) Avviene durante una fase precoce di gestazione (circa 16 giorni) Fenomeno prettamente somatico: nei tessuti germinali, per una corretta gametogenesi e formazione dei tessuti riproduttivi, si esprimono entrambi i cromosomi X. Normalmente è un fenomeno del tutto casuale: si inattivano il 50% di X materni e il 50% di X paterni e questa inattivazione si mantiene costante nelle successive divisioni mitotiche Il gene responsabile è Xist, localizzato in Xq13, che si esprime SOLO sul cromosoma inattivato. Xist produce un RNA di 15 Kb che agisce in cis e blocca la trascrizione della regione del cr. X inattivato L’inattivazione NON coinvolge i geni presenti nella regione telomerica Xp (segmento pseudoautosomico del cr. X) che è quella omologa al cr. Yp e che assicura il corretto appaiamento dei due cromosomi sessuali durante la meiosi maschile

(Prader-Willi, Angelman) Malattie da Genomic Imprinting (Prader-Willi, Angelman)

Genomic imprinting Per imprinting genomico si intende una modificazione “epigenetica” di uno specifico allele nel gamete o nello zigote, responsabile per l’espressione differenziale dei due alleli del gene nelle cellule somatiche della progenie Per la gran parte dei geni, l'espressione avviene simultaneamente da ambodue gli alleli. Nai mammiferi tuttavia un piccolo gruppo di geni (<1%) sono sotto imprinting, cioè l'espressione è a carico di uno solo dei due alleli. L'allele che viene espresso dipende dalla origine parentale (ad es. il gene Insulin-like growth factor 2 (Igf2) è espresso dall'allele ereditato dal genitore maschile, mentre il gene H19 dal genitore femminile).

EPIGENETICA Per modificazione epigenetica, si intende una modificazione ereditaria genomica, che non é associata ad un cambio della sequenza di DNA.

MALATTIE DA IMPRINTING Quando l’allele non sottoposto ad imprinting è mutato o deleto per cui si verifica assenza totale dei prodotti genici riferiti a quella regione cromosomica SINDROME DI PRADER WILLI: delezione prossimale del braccio lungo del cromosoma 15 paterno (15q11-q13) SINDROME DI ANGELMAN materno

(Prader-Willi and Angelman Syndromes) Genomic Imprinting (Prader-Willi and Angelman Syndromes) Sono attivi solo: Un set di geni Prader-Willi (paterni) Un set di geni Angelman (materni) Delezione banda q12 Cromosoma 15 Uniparental Disomy Stesso risultato delle delezione Sono attivi solo: Un set di geni Prader-Willi (paterni) Sono attivi solo: Un set di geni Angelman (materni)

Uniparental Disomy Perdita del cromosoma Materno (PWS) o Paterno (Angelman S)

Prader-Willi Syndrome E’ una malattia genetica rara (colpisce 1 su 15.000-25.000 nati vivi) caratterizzata dalla alterazione del cromosoma 15 Ipotonia nell' infanzia, obesità dovuta ad iperfagia, ipogonadismo, mani e piedi piccoli E’ la più comune tra le sindromi di microdelezione cromosomica Avviene per due diverse cause accertate, entrambe di tipo genetico: Delezione sul cromosoma 15 paterno Disomia uniparentale materna del cr. 15

Angelman Syndrome La Sindrome di Angelman (AS) è caratterizzata da movimenti ripetitivi, simmetrici, atassici e da una disposizione all' allegria, al riso frequente

Le modificazioni di cui si serve l’imprinting sono METILAZIONE DEL DNA (CpG) MODIFICAZIONE DEGLI ISTONI (acetilazione, fosforilazione) Gli istoni modificati agiscono da siti d’attacco per le proteine che modificano DNA. Ad ogni replica del DNA una metilasi di mantenimento metila tutti i CpG del filamento neosintetizzato che si trova opposto a un CpG metilato sul filamento parentale.

TRASMISSIONE Y-LINKED

List of Y-Linked Diseases The Y chromosome is relatively small and contains very few genes, there are relatively few Y-linked disorders. Male Infertility Excessive hair on the ear pinna (Hypertrichosis pinnae) Retinitis pigmentosa Color blindness XYY syndrome XYY syndrome is another proof that the Y chromosome doesn't have really many genes that determine human structure. These patient have no specific physical features except perhaps for increased height. But they usually have learning disabilities, aggressive behavior, and severe acne.

EREDITA’ SEMPLICE NON MENDELIANA Penetranza incompleta Espressività variabile Malattie da imprinting Anticipazione Malattie mitocondriali Eredità digenica e triallelica

Mutazioni dinamiche Mutazioni da espansione di sequenza trinucleotidiche ripetute nel DNA Es: corea di Huntington, distrofia miotonica (DM), sindrome di Martin-Bell 100 triplette (condizione non patologica) 500 triplette (premutazione) 1500 triplette (mutazione)

Anticipazione Severità della malattia aumenta da una generazione alla successiva La malattia esordisce prima da una generazione alla successiva Mutazioni dinamiche 50 anni 30 anni 10 anni

Mutazioni dinamiche – effetto fondatore Dal momento che le ripetizioni del range di normalità NON aumentano di numero dopo replicazione, da dove sono nati gli alleli instabili? EFFETTO FONDATORE: Eccezionalmente, in uno o pochi individui, si sono verificati degli errori nella replicazione, producendo degli alleli con un numero di ripetizioni aumentato, che sono stati ereditati nelle successive generazioni, producendo un pool di alleli instabili presenti oggi nella popolazione Per molte delle mutazioni dinamiche l’effetto fondatore è stato dimostrato Questo effetto fondatore si riconosce anche nell’assenza o maggior frequenza di alcune di queste patologie in certe aree geografiche

Mutazioni dinamiche – principali mutazioni dinamiche Malattia Repeat SBMA CAG HD DRPLA SCA1 SCA2 SCA3 SCA6 SCA7 SCA17 AIB-I HOXD13 GCG OPMD CBFA1 ZIC2 HOXA13 FOXL2 ARX CJD 24 bp repeat COMP GAC Malattia Repeat DM1 CTG FRDA GAA SCA8 SCA12 CAG HDL2 FRAXA CGG FRAXE CCG FRA11B DM2 CCTG EPM1 CCCCGCCCCGCG SCA10 AATCT INS ACAGGGGTCTGGGG h-RAS 28 bp repeat FSHD 3.3 Kb D4Z4 repeat KCNN3 CTG18.1 MAB21L1 FRAXF FRAX10A, altri CCG, altri repeat

Mutazioni dinamiche – meccanismo dell’instabilità Perché oltre una certa lunghezza compare il fenomeno dell’instabilità? La presenza di un aumentato numero di ripetizioni provoca, nel DNA, la formazione di strutture alternative, assenti quando il numero di ripetizioni è nel range di normalità Queste strutture causano problemi sia nei processi di replicazione (slippage della polimerasi), sia probabilmente nei meccanismi di riparazione del DNA La conseguenza ultima è la tendenza all’incremento numerico delle ripetizioni dopo replicazione (sia mitotica che meiotica!) Per lo stesso principio, sono possibili anche le contrazioni di ripetizioni, ma per la maggior parte delle patologie le espansioni sono favorite

Mutazioni dinamiche – principi generali delle mutazioni dinamiche INSTABILITÀ MITOTICA: determina la presenza di espansioni di grandezze differenti all’interno dello stesso tessuto e tra tessuti differenti. Produce dunque un mosaicismo tissutale INSTABILITÀ MEIOTICA: determina la trasmissione alle generazioni successive di una espansione di diversa ampiezza. E’ alla base del meccanismo dell’anticipazione TRASMISSIONE PATERNA O MATERNA: in alcune patologie, si possono avere espansioni o contrazioni del numero di ripetizioni a seconda che l’allele mutato sia trasmesso dal padre o dalla madre

Mutazioni dinamiche – Localizzazione delle espansioni Perché un aumento nel numero di sequenze ripetute causa una patologia? Esistono differenti meccanismi molecolari alla base delle diverse patologie EPM1: progressive myoclonic epilepsy 1; FXTAS: frax ass a tremore e atassia; FRDA atassia di Friedreich; BPES blefarofimosi, ptosi e epicanto inverso; CCD displasia cleidocraniale CCHS sindrome congenita centrale con ipoventilazione; HFG hand foot genital syndromeHPE5 oloprosencefalia; ISSX sindrome XL infantile con spasmi MRGH ritardo mentale con deficienza isolata dell’ormone della crescita OPMD distrofia muscolare oculofaringeale; SPD sinpolidattilia; HDL2 huntington type 2;

Mutazioni dinamiche – Classificazione molecolare Espansioni in porzioni codificanti (esoniche) del gene: Poliglutamine (Corea di Huntington, malattia di Kennedy, SCAs) Polialanine (Oloprosencefalia, sinpolidattilia, hand-foot-genital syndrome) Espansioni in porzioni non codificanti del gene: Promotore (Epilessia progressiva mioclonica) 5’-UTR (Sindrome dell’X-fragile, SCA12) Introne (Atassia di Friedrich, Distrofia miotonica di tipo 2) 3’-UTR (Distrofia miotonica di tipo 1, SCA8)

Mutazioni dinamiche - Corea di Huntington Corea di Huntington (HD) Patologia neurodegenerativa, a carattere progressivo, caratterizzata da disturbi del movimento (corea), rigidità e demenza. Associati, ci sono deficit amnesici, cambiamenti del comportamento e depressione. La frequenza è di circa 4-7/100.000. L’attesa di vita è di 10-15 anni dall’esordio della malattia, che normalmente avviene tra i 35 e i 45 anni. Circa il 5% dei casi ha esordio prima dei 21 anni (forma giovanile).

Mutazioni dinamiche – Corea di Huntington – classificazione Il gene responsabile è il gene HD, che mappa sul cromosoma 4p16.3 e codifica per una proteina che prende il nome di huntingtina. La mutazione responsabile è data dall’espansione della tripletta CAG all’interno dell’esone 1 del gene HD  trascrizione in mRNA e traduzione della proteina con una sequenza di glutamine in eccesso Alleli normali: < 26 CAG Alleli intermedi: 27-35 CAG Alleli mutati a penetranza incompleta: 36-39 CAG Alleli mutati a penetranza completa: 40-121 CAG

Mutazioni dinamiche – Corea di Huntington - caratteristiche PENETRANZA INCOMPLETA: Non tutte le persone che presentano l’espansione (in questo caso tra 36 e 39 repeats) manifestano la malattia. In generale, è dato dal rapporto tra il numero degli affetti sul numero del totale con un determinato genotipo. Correlazione genotipo-fenotipo: per espansioni fino a 60 CAG si manifesta la forma classica; per espansioni superiori può manifestarsi la forma giovanile. ANTICIPAZIONE: la malattia si manifesta più precocemente ed in maniera più grave con il passare delle generazioni L’aumento di espansione si verifica nella trasmissione paterna, mentre è più stabile per via materna A livello tissutale, rispetto ad altre mutazioni dinamiche, è presente un mosaicismo minore.

Mutazioni dinamiche – Corea di Huntington – meccanismi Meccanismo patogenetico principale: tossicità da poliglutamine L’eccesso di glutamine nella sequenza aminoacidica impedisce il giusto ripiegamento (folding) della proteina stessa La proteina viene degradata ma i frammenti con le poliglutamine si aggregano Si formano accumuli all’interno dei nuclei dei neuroni con guadagno di funzione ed effetto citotossico  apoptosi e degenerazione neuronale Accanto a questo, ci sono altri meccanismi che contribuiscono a determinare il fenotipo (danno mitocondriale, alterazione della trascrizione di altri geni, alterazione del trasporto assonale)

EREDITA’ SEMPLICE NON MENDELIANA Penetranza incompleta Espressività variabile Malattie da imprinting Anticipazione Malattie mitocondriali Eredità digenica e triallelica

Mar 5 1999 Volume 283 Number 5407 "Mitochondria" FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA BIOSINTESI ACIDI GRASSI EREDITA’ EXTRANUCLEARE

GENOMA MITOCONDRIALE DOPPIA ELICA CIRCOLARE Sistema di REPLICAZIONE, TRASCRIZIONE, e TRADUZIONE indipendente da quello nucleare (polimerasi, ribosomi e rRNA)

DNA MITOCONDRIALE UGA/G: triptofano AGA/G: STOP Due filamenti (H eL) diversi nella composizione nucleotidica, entrambe trascritti e tradotti La replicazione è BIdirezionale e asincrona: due diverse origini di replicazione OL e OR NON esistono introni Codice genetico diverso da quello nucleare UGA/G: triptofano AGA/G: STOP NON esiste sistema di riparo delle mutazioni (tasso di mutazione è 10-20 volte superiore a quello nucleare)

Structure Double-stranded, circular molecule: Except for D-loop which is triple stranded 16,569 nucleotide pairs Copies 2 to 10 in each mitochondrion > 1,000 in each cell mtDNA encodes for 37 gene and for 13 of mitochondrial peptide subunits, involved in mitochondrial respiratory-chain complex Remaining > 67 OXPHOS subunits are nuclear encoded rRNAs: 2 tRNAs: 22

ETEROPLASMIA / OMOPLASMIA La percentuale di mit normali e mutati VARIA dopo ogni evento replicativo Questo determina diversi genotipi e fenotipi anche nei gemelli identici ( ogni mit contiene 8-10 molecole di DNA, ogni cellula migliaia di DNA mit) ETEROPLASMIA / OMOPLASMIA EFFETTO SOGLIA: il fenotipo malattia si manifesta dopo che il numero di mit mutati ha superato una determinata percentuale

EREDITA’ MITOCONDRIALE L’eredità dei geni extranucleari segue regole diverse rispetto a quelle dei geni nucleari: Non è coinvolta la segregazione meiotica Eredità uniparentale (materna), non esistono rapporti mendeliani di segregazione

EREDITA’ MITOCONDRIALE L’eredità dei geni extranucleari NON è mendeliana Eredità UNIPARENTALE (materna) Sono affetti sia maschi che femmine che hanno la madre affetta, ma la trasmissione del carattere avviene solo attraverso le donne affette (i maschi affetti non trasmettono la malattia)

OMOPLASMIA ED ETEROPLASMIA Si ereditano 23 molecole di DNA nucleare (cromosomi) da ciascun genitore e circa 100.000 molecole di mtDNA dall’ovocita materno. Negli individui normali il 99.9% delle molecole di mtDNA sono identiche (OMOPLASMIA). Se insorge una nuova mutazione questa si diffonde nella popolazione di mtDNA. Si avranno 2 genotipi ciascuno con una sua frequenza (ETEROPLASMIA). La velocità di fissazione di una nuova mutazione nel genoma mit risulta un processo circa 10 volte più rapido di quella riscontrata per le mutazioni nucleari.

In condizioni di eteroplasmia il DNA mit va incontro a segregazione replicativa: la % di DNA mutato e normale varia dopo ogni evento replicativo e questo determina diversità a livello genotipico e fenotipico anche in gemelli identici Il fenotipo si manifesta con effetto soglia: - natura della mutazione -% DNA mit mutati -importanza che il processo di produzione di energia riveste per l’organo colpito dalla mutazione

PATOLOGIE MITOCONDRIALI Mutazioni a carico del DNA mit riducono la produzione di ATP e questo danneggia i diversi organi nell’uomo a secondo del loro fabbisogno di energia La frequenza è di circa 6- 17/100.000

Le manifestazioni cliniche comprendono: Gli organi più colpiti sono: SNC, muscolo, cuore, rene, pancreas, fegato Le manifestazioni cliniche comprendono: ATROFIA OTTICA, SORDITA’, ATASSIA, DIABETE, ISCHEMIA, DEGENERAZIONE DEI GANGLI BASALI, PROBLEMI DEL MOVIMENTO

EREDITA’ SEMPLICE NON MENDELIANA Penetranza incompleta Espressività variabile Malattie da imprinting Anticipazione Malattie mitocondriali Eredità digenica e triallelica

Eredità digenica La malattia è dovuta all’effetto additivo di mutazioni ETEROZIGOTI in loci diversi Forma di retinite pigmentosa che si manifesta in individui doppiamente ETEROZIGOTI per i geni ROM1 e per la periferina che codificano per i fotorecettori. Le mutazioni in eterozigosi separatamente non causano alcun fenotipo patologico

Eredità triallelica Sindrome di Bardet –Biedl: sindrome dismorfica caratterizzata da obesità, polidattilia, patologia renale, deficit cognitivo La condizione che si riscontra è quella della mutazione allo stato omozigote in un locus ed eterozigote in un altro locus associato

MODELLO TRI-ALLELICO: la sindrome di Bardet Biedl

Malattie genetiche multifattoriali Risultanti dall’interazione fra le condizioni ambientali e un numero di geni >1 partecipanti alla determinazione del fenotipo Il rischio di presentare un fenotipo “malattia” é proporzionale al numero di geni mutati ereditato Molte delle piú comuni malattie (diabete, ipertensione, celiachia) hanno origine multifattoriale

Perchè abbiamo queste malattie ? Malattie ereditarie monogeniche Anemia falciforme (1 in 600 American blacks) Cystic fibrosis (1 in 2,000 Caucasians) Duchenne muscular dystrophy (1 in 3,000 males) Huntington’s disease (1 in 12,500) Abbiamo già fatto molti esempi di Malattie ereditarie monogeniche come la Anemia falciforme (1 in 600 American blacks), la Cystic fibrosis (1 in 2,000 Caucasians), la Duchenne muscular dystrophy (1 in 3,000 males), la Huntington’s disease (1 in 12,500). Perchè queste malattie, agendo sfavorevolmente sulla durata di vita dell’individuo e di conseguenza anche sulla sua possibilità riproduttiva non sono state eliminate dal sistema naturale della selezione ? Perchè abbiamo queste malattie ?

Anemia falciforme Cosa rende comune questa malattia in alcuni gruppi di popolazione ? vantaggio dell’eterozigote – portatori della mutazione presentano aumentata resistenza alla malaria Sappiamo che la anemia falciforme è particolarmente diffusa tra alcuni gruppi etnici che in particolare popolano regioni ad elevato livello endemico di malaria. Per rispondere alla precedente domanda e in relazione a quanto appena detto è stato ipotizzato che gli eterozigoti in queste regioni non sono svantaggiati dall’essere portatori della anomalia genetica, bensi avvantaggiati. Questa ipotesi, detta del vantaggio dell’eterozigote, si basa sulla osservazione che i portatori della mutazione presentano aumentata resistenza alla malaria.

Fibrosi cistica Cosa rende comune questa malattia tra le popolazioni Europee ? vantaggio dell’eterozigote – aumentata resistenza alla Salmonella typhi, causa del tifo effetto del fondatore – eventi casuali hanno permesso la espansione di una popolazione costituita da individui recanti la mutazione con una frequenza più elevata: 85-90% Danesi sono portatori di una mutazione CF cosa può aver contribuito alla espansione di tali popolazioni ? Un analogo caso per il quale è stato invocata la ipotesi del vantaggio dell’eterozigote è quello della fibrosi cistica. E’ una malattia recessiva (occorre ereditare ambedue alleli con mutazione) caratterizzata da problemi nella secrezione in molti tessuti, difficoltà respiratoria, gravi infezioni da Pseudomonas. Numerose differenti mutazioni colpiscono il gene il cui prodotto è nella maggior parte dei casi non funzionale. Cosa rende comune questa malattia tra le popolazioni Europee ? La ipotesi del vantaggio dell’eterozigote in questo caso si basa sulla aumentata resistenza alla Salmonella typhi, causa del tifo, da parte dei soggetti portatori della mutazione. Ma c’è anche un’ altra ipotesi. Questa è nota come l’ipotesi dell’ “effetto del fondatore”, per la quale eventi casuali permettono la espansione di una popolazione costituita da individui recanti la mutazione con una frequenza più elevata.

Distrofia muscolare di Duchenne Cosa rende comune questa malattia nei maschi ? elevata frequenza di nuove mutazioni – il gene DMD è molto esteso e quindi rappresenta un bersaglio più facile per le mutazioni di nuovo tipo. Nel caso della distrofia muscolare di Duchenne il fattore promuovente la diffusione dei questa malattia potrebbe essere la elevata frequenza di nuove mutazioni – il gene DMD è molto esteso e quindi rappresenta un bersaglio più facile per le mutazioni di nuovo tipo. La Malattia è associata al cromosoma X - i maschi sono affetti sulla base di un solo allele mutato, e consiste nella degenerazione progressiva dei muscoli scheletrici. Numerose differenti mutazioni colpiscono il gene il cui prodotto è nella maggior parte dei casi non funzionale.

Elevata frequenza di nuove mutazioni approx. 1/3 di tutti i casi sono dovuti a nuove mutazioni con quale frequenza occorrono nuove mutazioni ? Approx. 1/3 di tutti i casi sono dovuti a nuove mutazioni. Questo ci porta a un’altra questione e cioè alla domanda: con quale frequenza occorrono nuove mutazioni ? In ogni cellula spermatica si producono 100 nuove mutazioni, circa 1 in 10 cellule spermatiche reca una nuova mutazione deleteria, ogni giorno sono prodotte 8 x 107 cellule spermatiche: ogni 10 secondi viene prodotta una cellula spermatica con una nuova mutazione nel gene DMD. in ogni cellula spermatica si producono 100 nuove mutazioni circa 1 in 10 cellule spermatiche reca una nuova mutazione deleteria ogni giorno sono prodotte 8 x 107 cellule spermatiche: ogni 10 secondi viene prodotta una cellula spermatica con una nuova mutazione nel gene DMD

Malattia di Huntington Cosa favorisce la diffusione della malattia ? insorgenza tardiva – la mutazione viene trasmessa prima che compaia la malattia dominant disease – 50% probabilità di trasmettere la malattia effetto del fondatore Vediamo ancora un altro esempio, quello della malattia di Huntington. E’ una malattia dominante che consiste nella degenerazione progressiva dei neuroni. E’ sufficiente una copia del gene recante la mutazione. La mutazione consiste nella espansione di una tripletta CAG intragenica. In questo caso a favorire la diffusione della malattia concorrerebbero almeno due fattori: la insorgenza tardiva – la mutazione viene trasmessa prima che compaia la malattia - e il carattere dominante della malattia, che conferisce il 50% di probabilità di trasmettere la malattia. Anche il carattere della anticipazione, che consiste nel progressivo inasprimento dei caratteri della malattia ad ogni nuova generazione potrebbe giocare a favore della diffusione della malattia.

NON TUTTE LE MUTAZIONI RISULTANO ESSERE CAUSA DI MALATTIE… HIV-1 e DCCR5

Meccanismo di Infezione da HIV-1

Il Recettore CCR5 (CD195) Localizzato sul cromosoma 3 Recettore per le chemiochine RANTES, Mp1alfa e Mip1 beta Espresso su linfociti T, Macrofagi, cellule dendritiche e microgliali Esiste una mutazione D32 (32 nucleotidi) che produce una proteina non capace di raggiungere la superficie cellulare L’allele D32 è comune nella popolazione Caucasica (frequenza 10%) ma quasi assente in Africa e Asia I portatori omozigoti di questa mutazione non hanno CCR5 sulla superficie cellulare Hanno un fenotipo normale

Individui Recanti la Mutazione D32 sono protetti dall’Infezione HIV-1 (R5)