Perché alcune patologie genetiche sono trasmesse come caratteri dominanti e altre come recessive? Perché alcune malattie sono presenti in alcune popolazioni e non in altre?

Principali meccanismi attraverso i quali una mutazione provoca una patologia Acquisizione di funzione (sia a carico dell’RNA che della proteina) Produzione di un peptide che, oltre a non svolgere la normale funzione, interferisce con il funzionamento del peptide normale (prodotto dall’allele non mutato) (dominante negativo) Produzione di un peptide con nuove caratteristiche e proprietà Perdita di funzione Espressione del gene in un momento o in uno spazio errato

Fenotipi patologici dovuti ad acquisizione di funzione generalmente sono dominanti Il polipeptide prodotto dall’allele normale non impedisce al prodotto dell’allele mutato di comportarsi in maniera anomala Le malattie dovute ad ‘acquisizione di funzione’ sono in genere abbastanza omogenee dal punto di vista molecolare (‘tutti’ i malati presentano la stessa mutazione, es. nanismo acondroplasico, eccezione O.I.)

aumento del livello di espressione del gene che produce una proteina normale  mutazione quantitativa: mutazione in regioni regolative o eventi di duplicazione genica aumento della capacità di ciascuna molecola di svolgere la normale funzione  mutazione qualitativa acquisizione di una nuova funzione o proprietà  mutazione qualitativa il prodotto dell’allele mutato impedisce il corretto funzionamento del prodotto dell’allele wild-type (dominante negativo)

Strachan, Goodship e Chinnery – Zanichelli, 2016

Strachan, Goodship e Chinnery – Zanichelli, 2016 Una mutazione MS del gene dell’alfa-1-antitripsina cambia la specificità del substrato a cui si lega (elastasi  trombina)

Malattie dovute a perdita di funzione generalmente sono recessive la maggior parte dei prodotti genici non è sensibile a variazioni quantitative (es. enzimi) i malati molto spesso sono ETEROZIGOTI COMPOSTI (hanno due alleli non funzionanti ma diversi da un punto di vista molecolare) Questo è dovuto al fatto che esistono molti modi diversi attraverso i quali un gene non è più in grado di svolgere la sua funzione

Per le malattie dominanti dovute a ‘perdita di funzione’ si parla di APLOINSUFFICIENZA molto spesso interessano geni che codificano proteine che hanno una funzione strutturale (es. collagene) o catene polipeptidiche che devono interagire con altre catene proteiche (sono importanti i rapporti stechiometrici) I soggetti malati possono essere estremamente eterogenei per il tipo di mutazione di cui sono portatori (come per le malattie a trasmissione AR dovute a perdita di funzione)

Un esempio classico è quello delle COLLAGENOPATIE Malattie dominanti dovute a APLOINSUFFICIENZA (perdita di funzione) spesso presentano forme più gravi dovute a mutazioni del tipo SNS-MS Un esempio classico è quello delle COLLAGENOPATIE disordini a carico del collagene (il principale costituente di ossa, tendini, cartilagini, pelle, vasi sanguigni ecc.)

Esistono più di 20 tipi diversi di collagene codificati da più di 35 geni Tutti i collageni hanno la stessa struttura di base: molecole formate da 3 catene polipeptidiche uguali o diverse (omotrimeri o eterotrimeri)

La struttura della porzione centrale delle singole catene è (Gly-X-Y)n, dove X e Y spesso sono prolina o idrossiprolina, l’assemblaggio del trimero comincia dall’estremità C-terminale Mutazioni ‘loss of function’ provocano forme meno gravi delle mutazioni ‘gain of function’ Eterozigoti COL+/COL-(loss of function)  la quantità di trimero normale è pari al 50% ca. rispetto a quella prodotta da un omozigote wild type (aploinsufficienza) Eterozigoti COL+/COL-(gain of function)  la quantità di trimero normale è pari ad 1/8 (dominanza negativa) Altro esempio connessina 26: sono necessarie 6 molecole di cx26 per formare il connessone (parte di una giunzione serrata tra cellule necessaria per passaggio di piccoli ioni)

Strachan, Read – Zanichelli, 2012 Fare esempio di omotrimero con calcolo alla lavagna

HUGO  http://www.hugo-international.org/ Per i geni e per le loro mutazioni esiste una nomenclatura ufficiale decisa da un apposito comitato della HUman Genome Organization HUGO  http://www.hugo-international.org/ Per la nomenclatura delle mutazioni si fa riferimento alla sequenza del DNA codificante (c.), o a quella del DNA genomico (comprensivo quindi degli introni, g.) o a quella della sequenza amminoacidica del prodotto del gene (p.) Per le sequenze di DNA il nt. +1 è la A del codone ATG (codone di inizio), quello immediatamente a monte è il -1 (non esiste il nt. 0) Per le sequenze polipeptidiche l’aa. no. 1 è la Metionina di inizio

Singole sostituzioni nucleotidiche o SNS (Single Nucleotide Substitution): due lettere separate da un numero la prima lettera  nt. della sequenza di riferimento il numero  posizione la seconda lettera  nt. della sequenza variante (allele variante) nomenclatura analoga anche quando la sequenza di riferimento è quella aa (aa. sostituito, posizione, aa. sostituente, spesso si fa uso del codice degli aminoacidi a una lettera) Inserzioni o delezioni: ins o del preceduto da un numero (posizione) e seguito dalla sequenza inserita o deleta (analogamente se l’evento di inserzione/delezione causa un’inserzione/delezione a livello amminoacidico)

Per le mutazioni introniche si fa riferimento al nucleotide esonico più vicino, seguito dal segno + o dal segno – e un numero. Il segno indica se la mutazione (SNS o delezione o inserzione) è avvenuta a valle o a monte del nucleotide esonico di riferimento e il numero specifica di quanti nucleotidi ci si deve spostare nella direzione indicata Un altro modo per indicare le mutazioni introniche è il seguente: IVSII+1 C > T (mutazione C > T a carico del 1° nt. dell’introne 2 (IVS = InterVening Sequence)

Mutazioni del gene responsabile della Fibrosi Cistica (nome ufficiale  CFTR, Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator): p.F508del delezione della Fenilalanina in posizione 508 c.1521-1523 delCTT oppure c.1521 delCTT p.M470V la Met 470 è stata sostituita da Val; c.1480 AG p.G542X il codone 545 che codifica per la Gly è diventato un codone di stop; c.1756 G  T c.869+11 CT 869 è l’ultimo nt. di un esone, la mutazione è la sostituzione CT dell’11° nt. dell’introne immediatamente a valle; p.G85E la Glicina 85 è stata sostituita dall’acido Glutammico; c.254 GA c.1585-1 GA 1585 è il 1° nt. di un esone, la mutazione è a carico dell’ultimo nucleotide dell’introne immediatamente a monte; c.2051 AA  G le due A in posizione 2051 e 2052 sono diventate una G (si sono quindi verificate una delezione e una SNS); c.1739 insT inserzione di una T tra i nt. 1739 e 1740; c.4251 delA delezione della A in posizione 4251

L’allele CF più comune: la delezione di 3 nucleotidi Sequenza nucleotidica wild-type ATC ATC TTT GGT GTT Sequenza aminoacidica wild-type Ile Ile Phe Gly Val Sequenza nt. in F508del ATC ATT GGT GTT Sequenza aminoacidica Ile Ile Gly Val

Human Gene Mutation Database (HGMD) Esistono numerosi database che raccolgono le variazioni patologiche. Possono essere sia generali che gene-specifici Human Gene Mutation Database (HGMD) ClinVar OMIM