I LEGGE DI MENDEL II LEGGE DI MENDEL III LEGGE DI MENDEL Principo della dominanza Dall’ incrocio tra individui che differiscono per un carattere, appartenenti a linee pure, si ottiene una prima generazione filiale (F1) costituita da individui tutti uguali fra loro, che manifestano il carattere di uno dei due genitori. II LEGGE DI MENDEL Principio della segregazione I caratteri allelomorfi sono controllati da coppie di fattori che segregano l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti e passano, separati, in gameti diversi; di conseguenza alla F2 anche i caratteri controllati da questi fattori segregano e si manifestano in rapporti numerici definiti e costanti. III LEGGE DI MENDEL Principio dell’assortimento indipendente Quando si incrociano individui che differiscono per due coppie di alleli, che controllano due caratteri, ciascuna coppia viene ereditata indipendemente dall’altra.

Eccezioni leggi di Mendel

Alcune classi particolari di malattie genetiche Malattie Mitocondriali Imprinting (sindrome di Prader-Willi e sindrome di Angelman) Malattie da triplette (X-fragile, SCA). Concetto di premutazione ed anticipazione

Alcune classi particolari di malattie genetiche Malattie Mitocondriali Imprinting (sindrome di Prader-Willi e sindrome di Angelman) Malattie da triplette (X-fragile, SCA). Concetto di premutazione ed anticipazione

codificano polipeptidi un basso numero di copie moderatamente ripetute Organizzazione del Genoma Umano Genoma umano Genoma nucleare 3.000 Mb 65.000-80.000 geni Geni e sequenze correlati ai geni DNA extra- genico DNA codificante DNA non Pseudogeni Frammenti genici Introni, sequenze non tradotte, ecc. Genoma mitocondriale 16,6 kb 37 geni Due geni Per rRNA 22 geni Per tRNA 13 geni che codificano polipeptidi Sequenze uniche o con un basso numero di copie Da mediamente ad altamente ripetute Ripetizioni in tandem o ripetizioni raggruppate Ripetizioni intersperse Sequenze uniche o moderatamente ripetute ~ 10% ~ 90% ~ 80% ~ 20% ~ 30% ~ 70%

Le proteine mitocondriali Le proteine mitocondriali sono prodotte da geni mitocondriali e geni nucleari

mRNA Proteina DNA

- 37 geni (13 codificano per proteine che rappresentano GENOMA MITOCONDRIALE - 16.569 bp - 37 geni (13 codificano per proteine che rappresentano subunità di enzimi coinvolti nella catena respiratoria; 22 per RNA transfer; 2 per RNA ribosomiale) - Codice genetico leggermente diverso da quello nucleare (AGA e AGG sono STOP) Le mutazioni possono essere eteroplasmiche e omoplasmiche Il mtDNA si replica in maniera indipendente dal DNA nucleare ed i mitocondri segregano nelle cellule figlie indipendentemente dai cromosomi nucleari (segregazione replicativa), la proporzione di mitocondri che portano una mutazione del mtDNA può essere diversa tra le varie cellule somatiche dei diversi tessuti, questa eterogeneità è detta eteroplasmia

MALATTIE MITOCONDRIALI Frequenza 6-7/100.000 nati Malattie da mutazioni di geni del genoma mitocondriale Mutazioni puntiformi, delezioni o duplicazioni - Malattie da mutazioni di geni del genoma nucleare che codificano per proteine che vengono trasportate nel mitocondrio (proteine strutturali, proteine deputate all’importazione o alla comunicazione tra i due genomi) Poiche’ la funzione mitocondriale e’ necessaria a quasi tutte le cellule e poiche’ l’espressione fenotipica di una mutazione nell’mtDNA dipende dalla proporzione relativa di mtDNA normale e mutante nelle cellule che formano i tessuti, la ridotta penetranza l’espressivita’ variabile e la pleiotropia sono caratteristiche tipiche di un’albero genealogico di un disordine mitocondriale

Malattie mitocondriali L’eredita’ e’ matrilineare e nessun maschio affetto trasmette la malattia alla sua progenie mentre la femmina affetta trasmette la malattia a tutti i figli senza distinzione di sesso.

EXAMPLES OF MITOCHONDRIAL DISORDERS

Perdita acuta o subacuta della visione senza dolore, acc. Neuropatia Ottica Ereditaria di Leber (LHON) Perdita acuta o subacuta della visione senza dolore, acc. Da scotoma centrale, per atrofia ottica nel giovane adulto - teleangectasia peripapillare nel p. presintomatico. NUCLEOTIDE GENE FREQUENZA 11.778 ND 4 50-70% 3.460 ND 1 15% 14.484 ND 6 10% Sono geni del complesso 1 della catena respiratoria = NADH - coenzima Q ossidore duttasi

Alcune classi particolari di malattie genetiche Malattie Mitocondriali Imprinting (sindrome di Prader-Willi e sindrome di Angelman) Malattie da triplette (X-fragile, SCA). Concetto di premutazione ed anticipazione

Si definisce “imprinted” la copia del gene che non viene espressa. DEFINIZIONE Per la maggioranza dei geni di mammifero l’espressione di un allele non dipende dal fatto che l’allele sia stato ereditato dalla madre o dal padre. Tuttavia alcuni geni sono particolari poiché l’espressione di un allele dipende dalla sua origine parentale: per alcuni geni viene espresso l’allele materno per altri quello paterno. A questo fenomeno si dà il nome di IMPRINTING GENOMICO. Si definisce “imprinted” la copia del gene che non viene espressa.

L’espressione di un gene imprintato dipende dalla sua origine parentale OFF Paternal allele Imprinted Paternally expressed Imprinted Maternally expressed non Imprinted GENE 1 GENE 2 GENE 3 ON OFF Maternal allele

Example of imprinted gene cluster IC IC IC = Imprinting Control center

Genomic Imprinting and Human Disease Syndromes involving imprinted genes Beckwith–Wiedemann syndrome Prader–Willi syndrome Angelman syndrome Silver–Russell syndrome Transient neonatal diabetes mellitus PHP1b, Albright hereditary osteodystrophy Familial nonchromaffin paraganglioma Maternal and paternal UPD14 syndromes Complex genetic diseases with parent-of-origin effects Asthma, atopy Autism Hirschsprung disease Cornelia de Lange syndrome Psoriasis Handedness Type I diabetes Type II diabetes Alcoholism Alzheimer disease Bipolar affective disorder Schizophrenia Syndromes that probably involve imprinted genes Turner syndrome phenotypes Familial pre-eclampsia Maternal UPD2 syndrome Maternal UPD16 syndrome

Sindrome di Prader - Willi Ipotonia, debole succhiatura Testicoli ritenuti (M)/Labbra ipoplastiche (F) Iperfagia (2 - 3 anni) OBESITA’ Facies: stretto diametro bitemporale occhi a mandorla, strabismo Bassa statura, piccole mani e piedi Capelli chiari e ipopigmentazione RITARDO MENTALE medio

Sindrome di Angelman Inappropriati accessi di riso Andatura atassica (a marionetta) EPILESSIA Facies: bocca larga, lingua protrusa, labbro sup. sottile, mandibola prominente Ipopigmentazione RITARDO MENTALE grave con assenza di parola

LA MAGGIOR PARTE DEI CASI SONO SPORADICI Prader-Willi (PWS) Angelman (AS) Ipotonia, debole, succhiatura Testicoli ritenuti (M)/Labbra ipoplastiche (F) Iperfagia (2 - 3 anni) OBESITA’ Facies: stretto diametro bitemporale occhi a mandorla, strabismo Bassa statura, piccole mani e piedi Capelli chiari e ipopigmentazione RITARDO MENTALE medio Inappropriati accessi di riso Andatura atassica (a marionetta) EPILESSIA Facies: bocca larga, lingua protrusa labbro sup. sottile, mandibola prominente ASSENZA DELLA PAROLA Ipopigmentazione RITARDO MENTALE grave LA MAGGIOR PARTE DEI CASI SONO SPORADICI In entrambe le sindromi si trovano anomalie della stessa regione del cromosoma 15 (delezione 15q11-q13)

L’analisi molecolare ha dimostrato che è deleto lo stesso intervallo La differenza del fenotipo è dovuta alla differente origine parentale della delezione Delezione dell’allele paterno  PWS Delezione dell’allele materno  AS Ci sono due o più geni "imprinted " in maniera opposta nella regione deleta

off PWS AS mat off pat PWS AS delezione 15q11-q13 PWS AS pat mat off PWS AS off

Esclusivamente nell’omologo paterno Il gene PWS è espresso Esclusivamente nell’omologo paterno La delezione dell’ allele espresso determina nullisomia Il gene AS è espresso esclusivamente nell’omologo materno IMPRINTING La copia paterna e la copia materna di un gene sono espressi DIFFERENTEMENTE Il pattern di eredità è deviato rispetto alle regole mendeliane

The PWS/AS Imprinting Cluster IC IC IC = Imprinting center

Disomia Uniparentale presenza di due copie dello stesso cromosoma ereditate dallo stesso genitore, mentre nessuna copia viene dall’altro genitore Materna M Paterna P

UPD eredità di entrambi i cromosomi omologhi da un singolo genitore Delezione 15 q visibile al cariotipo ~70 % ~70% 20-30 % ~ 7 % UPD = uniparental disomy (di somia uniparentale) PWS AS 2.5% 3% Mutazioni IC rare ~ 10% UBE3A Mutazioni puntiformi in geni < 1% sconosciuta UPD eredità di entrambi i cromosomi omologhi da un singolo genitore UPD Materna  PWS ( = delezione omologo paterno) UPD Paterna  AS ( = delezione omologo materno) Il meccanismo alla base sarebbe una non disgiunzione nella meiosi materna

Alcune classi particolari di malattie genetiche Malattie Mitocondriali Imprinting (sindrome di Prader-Willi e sindrome di Angelman) Malattie da triplette (X-fragile, SCA). Concetto di premutazione ed anticipazione

Genetica mendeliana classica: Le mutazioni sono stabili e vengono trasmesse invariate da una generazione all’altra. ECCEZIONE: Mutazioni instabili dovute ad espansione di DNA ripetuto

Triplette trinucleotidiche in tandem sono abbastanza comuni nel nostro genoma Ci sono 10 possibili triplette: AAC/GTT ACT/AGT AAG/CTT AGG/CCT AAT/ATT ACT/GAT ACC/GGT CAG/CTG ACG/ CGT CCG/CGG Alcune triplette CAG/CTG (glutamina) e CCG/GGC mostrano un comportamento anomalo: al di sopra di una certa soglia diventano estremamente instabili in mitosi e meiosi

MUTAZIONI DA DNA INSTABILE ……..CGGCGGCGG…….. ..…CGGCGGCGGCGGCGGCGGCGGCGG….. ……..CAGCAGCAG…….. ..…CAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAG….. AMPLIFICAZIONE DI TRIPLETTE DI DNA CHE AVVIENE DI GENERAZIONE IN GENERAZIONE NUOVO MECCANISMO DI MUTAZIONE E DI TRASMISSIONE GENETICA

Genetica delle malattie da triplette: Concetto di premutazione Instabilita’ somatica e germinale Anticipazione

Concetto di Premutazione Ripetute al limite superiore del normale, che di per se’ non causano la malattia, ma possono espandersi e diventare patogenetiche nella generazione successiva 22 29 29 80 22 90 22 83 82 ~500 >200

Anticipazione = peggioramento della malattia da una generazione alla successiva Esempio nella distrofia miotonica: I I 1 = caratatta, a 50 anni insorge il il difetto muscolare II II 2 = debolezza muscolare insorta nell’ adolescenza, cataratta, cardiomiopatia III III 1 = neonato affetto da miotonia congenita ( insufficienza respiratoria ipotonia ecc.)

MALATTIE DA TRIPLETTE Dovute all’espansione di triplette nella regione codificante (type I diseases). Dovute all’espansione di triplette nella regione non codificante (type II diseases).

Type I Trinucleotide Disease Triplets within coding regions Alleli normali tra 10-30, alleli espansi tra 40-200 Il tratto poliglutaminico conferisce una nuova, patologica funzione alla proteina

Type II Trinucleotide Disease Triplets within non coding regions Normal allele size between 5-50, expanded alleles have hundreds, or even thousands of copies. The expanded repeat may inhibit the expression of the corresponding gene, with a loss of function of the protein

SINDROME DELL’X FRAGILE (Malattia di Martin-Bell) E’ una delle forme piu’ comuni di ritardo mentale ereditario, e rappresenta il 15-20% dei ritardi mentali legati all’X. Incidenza: 1/4000 maschi; 1/8000 femmine Si trasmette come tratto legato all’X recessivo Gene causativo FMR1

(CGGCGGCGGCGGCGGCGGCGG) 5’ ATG STOP 3’ Normal FMR1 gene (CGGCGGCGGCGG) 20-50 5’ ATG STOP 3’ Premutated FMR1 gene (CGGCGGCGGCGGCGGCGGCGG) 50-200 5’ ATG STOP 3’ FMR1 gene in patients (CGGCGGCGGCGGCGGCGGCGG) 200-1000

QUADRO CLINICO Ritardo mentale Facies anormale con mandibola prominente e grosse orecchie Macroorchidismo Anomalie comportamentali (iperattivita’ autismo) nei maschi

Fragile X Syndrome

Sindrome dell’X Fragile When lymphocytes in culture are deprived of folate, fragile chromosomal sites can be observed

X FRAGILE: La genetica Trasmesso come tratto recessivo legato all’X Necessaria una mutazione in due steps per l’espressione della malattia tutti i maschi affetti hanno madri portatrici Alto rischio di trasformazione dalla pre-mutazione alla mutazione nella linea germinale femminile Possibile trasmissione da parte di maschi normali: attraverso le figlie portatrici sani ai loro nipoti

LE MUTAZIONI SONO STABILI ECCEZIONE REGOLA LE MUTAZIONI SONO STABILI  MUTAZIONI INSTABILI X Fragile

     ECCEZIONE REGOLA Es. Neuropatia ottica di Leber EREDITA’ MITOCONDRIALE Es. Neuropatia ottica di Leber LE MALATTIE MONOGENICHE SI TRASMETTONO SECONDO PATTERN BEN DEFINITI (AD, AR, XL)  MOSAICISMO GERMINALE Es. Osteogenesis imperfecta ASSENZA DI RISCHIO DI RICORRENZA NELLE MUTAZIONI DE NOVO  DISOMIA UNIPARENTALE Es. PWS e AS PER UN LOCUS AUTOSOMICO IL FIGLIO EREDITA UN ALLELE DA CIASCUNO DEI DUE GENITORI  IMPRINTING Es. Prader Willi /Angelman ENTRAMBI GLI ALLELI DI UN LOCUS AUTOSOMICO SONO UGUALMENTE ESPRESSI  MUTAZIONI IN STABILI X Fragile LE MUTAZIONI SONO STABILI