Espressione monoallelica di geni biallelici 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 Molti esempi di espressione monoallelica, ma in genere la ‘scelta’ dell’allele attivo è random (geni delle Ig e del TCR, geni OR, geni cromosoma X)

Concetto contrario alle leggi di Mendel secondo le quali l’origine materna o paterna di un’informazione non ne influenza l’espressione (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

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

PROVE DELL’ESISTENZA DELL’IMPRINTING esperimenti di trapianti di pronuclei nel topo: creazione di zigoti androgenetici e ginogenetici zigoti ginogenetici 2n cromosomi TUTTI di derivazione femminile embrioni abortivi – strutture extraembrionarie pressoché assenti, embrione quasi normale zigoti androgenetici 2n cromosomi TUTTI di derivazione maschile embrioni abortivi – iperplasia del trofoblasto, embrione pressoché 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 sé non impedisce il normale sviluppo

PROVE DELL’ESISTENZA DELL’IMPRINTING NELL’UOMO 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 2nP1nM è diverso da quello dei 2nM1nP, nei primi si osserva un’iperplasia delle strutture extraembrionarie e assenza dell’embrione vero e proprio, viceversa, nei secondi si hanno strutture extraembrionarie quasi assenti e embrione pressoché 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

Il fenotipo degli embrioni andro- e gino-genetico nell’uomo Strachan, Goodship, Chinnery – Genetica & Genomica, Zanichelli, 2016

COSTRUZIONE di MAPPE di IMPRINTING MEDIANTE L’USO di LINEE di TOPI PORTATORI di TRASLOCAZIONI ROBERTSONIANE e di TRASLOCAZIONI RECIPROCHE PARZIALI

TRASLOCAZIONE ROBERTSONIANA Fusione centrica tra due cromosomi acrocentrici che danno così origine ad un cromosoma metacentrico (quando i due cromosomi che si fondono hanno uguali dimensioni) o submetacentrico (i due cromosomi che si fondono hanno dimensioni diverse) 1 1 2 1 2 2

TRASLOCAZIONE RECIPROCA PARZIALE Cromosomi NON omologhi vanno incontro a rottura e riunione e si scambiano un segmento cromosomico

2 bilanciati e 4 sbilanciati 1 Portatore di traslocazione robertsoniana bilanciata – Produce 6 tipi di gameti: 2 bilanciati e 4 sbilanciati 1 2 2 A B C D E F gameti bilanciati gameti sbilanciati

+ uovo di tipo C + spermatozoo di tipo D gameti bilanciati A B C D E F gameti bilanciati gameti sbilanciati uovo di tipo C + spermatozoo di tipo D + zigote bilanciato MA con disomia materna del cromosoma 2 (quello violetto) P M M

A (2M 0P) B (2P 0M) conclusione A B uovo nullisomico spermatozoo disomico uovo disomico spermatozoo nullisomico zigote con disomia uniparentale MATERNA A zigote con disomia uniparentale PATERNA B A (2M 0P) B (2P 0M) conclusione wild-type il cromosoma NON contiene geni ‘imprintati’ fenotipo anormale il cr. contiene geni ‘imprintati’ nel padre E geni ‘imprintati’ nella madre il cr. contiene geni a espressione MATERNA il cr. contiene geni a espressione PATERNA

+ portatore di traslocazione reciproca parziale bilanciata produce 4 tipi di gameti: 2 bilanciati e 2 sbilanciati gameti bilanciati gameti sbilanciati zigote bilanciato ma con disomie uniparentali parziali (Materna per il tratto terminale violetto e Paterna per il tratto terminale azzurro) + uovo spermatozoo

Si stima che nell’uomo i geni soggetti a imprinting siano dell’ordine di 100-200, le seguenti regioni cromosomiche ne contengono vari: 6, 7q, 11p, 14q, 15q11-q13, 20

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 è a carico dell’allele non espresso) nei cluster sono in genere presenti sia geni strutturali (il loro prodotto finale è una catena polipeptidica) sia geni che producono RNA non codificanti

metilazione del gene che produce un RNA antisenso metilazione diretta del promotore CH3 competizione per l’enhancer CH3 RNA antisenso metilazione del gene che produce un RNA antisenso CH3

L’imprinting deve essere risettato ad ogni generazione Strachan e Read, Genetica molecolare umana, Zanichelli 2012

Il figlio ha lo stesso genotipo dei genitori, ma con pattern di imprinting invertito Strachan, Goodship, Chinnery – Genetica & Genomica, Zanichelli, 2016

UPD = UniParental Disomy = disomia uniparentale  entrambi gli omologhi di una coppia vengono ereditati dallo stesso genitore Non si ha un’alterazione quantitativa rispetto al normale, ma per quel particolare cromosoma l’informazione genetica proviene da un solo genitore Le UPD sono in genere dovute a recupero di una trisomia o di una monosomia (embrione monosomico in cui si ha una duplicazione dell’unico cromosoma presente)

Strachan, Goodship, Chinnery – Genetica & Genomica, Zanichelli, 2016

Sindrome di Beckwith-Wiedemann (BWS) (1) Malattia dovuta a un gene soggetto a imprinting nella madre (è attiva solo la copia fornita dal padre) causata da acquisizione di funzione. Il gene mappa in 11p15 P M Nei soggetti normali è espressa solo la copia paterna La duplicazione sul cromosoma paterno ha come conseguenza un raddoppiamento del prodotto genico ed insorgenza della malattia P M La duplicazione sul cromosoma materno è senza conseguenze perché la copia sovrannumeraria non viene espressa P M

Sindrome di Beckwith-Wiedemann (BWS) (2) Una mutazione nel centro di imprinting impedisce il silenziamento del gene in cis La mutazione è sul cromosoma paterno  non si hanno conseguenze fenotipiche perché la copia che non può essere spenta è comunque destinata ad essere espressa P M La mutazione è sul cromosoma materno  l’individuo è malato perché ha due copie attive del gene P M

Sindrome di Prader-Willi (PWS) - malattia dovuta ad assenza della funzione del ‘gene’ PWS (si tratta di vari geni che per semplicità vengono qui considerati come un unico gene), ‘gene’ soggetto ad imprinting nella madre (è espressa solo la copia fornita dal padre) che mappa in 15q11-13 Sindrome di Angelman (AS) - malattia dovuta ad assenza della funzione del gene AS, gene soggetto ad imprinting nel padre (è espressa solo la copia fornita dalla madre) che mappa in 15q11-13, cioè nella STESSA regione del ‘gene’ PWS

Entrambe le malattie possono essere dovute a: delezione dell’intera regione cromosomica 15q11-13; disomia uniparentale (UPD) (materna nella PWS, paterna nella AS); errore di imprinting; solo per la sindrome di Angelman: mutazione nella copia materna del gene AS

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

Disomia Uniparentale (UPD) Paterna  assenza funzionale del gene AS  Sindrome di Angelman PWS AS UPD Materna  assenza funzionale del ‘gene’ PWS  Sindrome di Prader-Willi M PWS AS mutazione nel centro di imprinting sul cromosoma P che non può essere risettato e viene trasmesso con un’impronta di tipo Materno  assenza funzionale del gene PWS  Sindrome di Prader-Willi P M PWS AS mutazione nel centro di imprinting sul cromosoma M che non può essere risettato e viene trasmesso con un’impronta di tipo Paterno  assenza funzionale del gene AS  Sindrome di Angelman P M PWS AS

Qual è il significato evolutivo dell’imprinting? Teoria dell’antagonismo tra i genitori (o del conflitto) Teoria dell’antagonismo tra i sessi Teoria del co-adattamento madre-figlio

Teoria del conflitto The kinship theory focuses on genes whose expression level governs the extent of some physiological or behavioral interaction between individuals. As an example, fetal expression of a growth factor not only influences the fetus’ development but may also indirectly affect the growth, and potentially the fitness, of siblings through its demand for shared maternal resources. Variation in the fetal expression level of this growth factor gene can have different, and opposing, inclusive fitness effects for the two alleles if these have unequal relatedness to individuals with whom the fetus interacts (for example, because the fetuses are maternal half-sibs, which share matrigenic but not patrigenic alleles) Patten et al. 2014, Heredity