1953 – 2003: il DNA compie 50 anni! "We wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This structure has novel features which are of considerable biological interest.” —James D. Watson and Francis H. Crick, Nature, April 25, 1953

Il patrimonio genetico della specie umana va incontro a continue modificazioni; questo salvaguarda la capacità di adattamento all’ambiente. Tuttavia, alcune di queste modificazioni, o mutazioni, comportano malattie genetiche.

Classificazione delle malattie genetiche Cromosomiche Dominante Autosomica Recessiva Monogeniche Malattie genetiche Dominante Associata all’ X Recessiva Multifattoriali

Un allele può essere DOMINANTE (A) o RECESSIVO (a) Ciascuno di noi possiede 2 copie di ogni gene contenuto nei cromosomi. Ognuna delle due copia è detta allele. Un allele proviene dal padre (allele paterno) e uno dalla madre (allele materno). Non sempre gli alleli sono uguali fra loro, anzi spesso presentano delle differenze. Gli alleli sono quindi versioni diverse dello stesso gene. Un allele può essere DOMINANTE (A) o RECESSIVO (a) Se un individuo possiede 2 alleli uguali dello stesso gene si dice omozigote Es. AA op. aa Se un individuo possiede 2 alleli diversi dello stesso gene si dice eterozigote Es. Aa

Se A = colore giallo dei piselli e a = colore verde dei piselli AA : si manifesta l’allele dominante giallo Aa : si manifesta l’allele dominante giallo aa : si manifesta l’allele recessivo verde

Supponiamo che la mutazione genica sia nell’allele dominante… aa A a A a aa A a aa Malattia autosomica dominante

Supponiamo che la mutazione sia nell’allele recessivo… aa A A A a A a Malattia autosomica recessiva

le femmine hanno 2 cromosomi X mentre i maschi hanno 1 X e 1 Y X X X Y Le altre 22 coppie di cromosomi sono identiche

La calvizie è un carattere recessivo legato al cromosoma X. Nella donna l’allele “calvo” è mascherato dall’allele “non calvo” che è dominante. Nell’uomo l’allele “calvo” si esprime perché è solo.

Come si trasmette un carattere associato al cromosoma X ? C = calvizie c X Y XX Mamma “normale” Papà calvo c XY XX Il 50% dei figli può ereditare Xc c X X XY Il 50% dei maschi ha la probabilità di essere calvo Papà “normale” XY Mamma portatrice Il 50% delle femmine ha la probabilità di essere portatrice c c X X X Y XX

Emofilia A. Un esempio di malattia ereditaria recessiva associata al cromosoma X Difetto di coagulazione del sangue dovuto alla presenza di una proteina (FVIII) non funzionante Frequenza nella popolazione: 1/5000-10000 maschi Anche piccoli traumi come i graffi possono provocare emorragie gravi

L’emofilia è una malattia legata al sesso, in quanto il gene responsabile è localizzato sul cromosoma X Fattore VIII

La presenza di un unico X rende il maschio più suscettibile a disordini di questo tipo. Se il gene in questione è mutato egli manifesta la malattia; la femmina è invece “protetta” dall’altro gene. Gene mutato Gene mutato Fattore VIII

H = mutazione nel gene dell’emofilia Un ragazzo diventa emofiliaco quando eredita l’X col gene mutato dalla madre portatrice (in quanto dal padre può ereditare solo il cromosoma Y che non ha il gene). H = mutazione nel gene dell’emofilia

Tua nonna è portatrice sana Emofilia A: La malattia dei Re La regina Vittoria di Inghilterra era una portatrice dell’allele mutato del Fattore VIII Tua nonna è portatrice sana Poiché nei suoi antenati non c’era la malattia si pensa che la mutazione di un allele del gene del FVIII si sia originata nel suo DNA

Aspetta! Non sparare! Un graffio potrebbe essere fatale Emofilia A: La malattia dei Re L’allele mutato si è trasmesso nei figli e nelle figlie della regina come carattere associato all’X… Aspetta! Non sparare! Un graffio potrebbe essere fatale …e si è diffuso nelle altre famiglie reali europee attraverso i matrimoni politici dei figli della regina Vittoria con i figli dei re di Prussia, Russia e Spagna

Come si scoprono le portatrici sane della malattia? Negli anni 80 è stato individuato il gene del FVIII

Nelle famiglie in cui siano presenti casi di emofilia è possibile sottoporre le donne all'analisi del DNA, che si effettua a partire da un normale prelievo di sangue. E' anche possibile effettuare la Diagnosi Prenatale nelle gravidanze a rischio.

Lo scopo della diagnosi prenatale è quello di offrire ai genitori e al medico le migliori informazioni possibili sui rischi di dare alla luce un bambino affetto da una malattia genetica

E’ possibile curare l’ emofilia A? “Guarire l'emofilia. Solo qualche anno fa sembrava un obiettivo impossibile. Era già stato un bel passo avanti poter disporre di terapie che permettono ai malati di vivere una vita quasi normale. Eppure, oggi, l'obiettivo guarigione, se non ancora raggiunto, si può considerare molto più vicino. Grazie alla terapia genica.” prof. Pier Mannuccio Mannucci, direttore del Centro emofilia e trombosi dell'Ospedale Maggiore Policlinico di Milano

Casi gravi: Iniezione della proteina che manca Anni ’70. Somministrazione del fattore VIII purificato da sangue umano Problemi: infezione da virus dell’Epatite C e da virus dell’AIDS Anni ’80. Somministrazione del fattore VIII prodotto in laboratorio con le tecniche di ingegneria genetica Problemi: costoso e non risolve le difficoltà date dall'eventuale sviluppo di anticorpi contro il fattore stesso. Nonostante ciò almeno l’80% di pazienti gravi in Italia ricevono il fattore VIII “sintetico” Nei casi estremi, si ricorre al trapianto di fegato, l'organo che produce la quantità maggiore di fattore VIII.

Si è cercata una soluzione nella TERAPIA GENICA…

Che cos’è la terapia genica? La terapia genica consiste nella sostituzione della versione difettosa di un gene con una funzionante all’interno di un organismo, in modo da rimediare alla malattia genetica.

1990. Primo esperimento nell’uomo di terapia genica Ashanti De Silva, una bambina di 4 anni affetta da una grave immunodeficienza (SCID), che deriva da una deficienza nell’adenosina-deaminasi (ADA), un enzima necessario per il normale funzionamento del sistema immunitario. Le cellule del sangue furono isolate dalla bambina, fatte crescere in laboratorio, ed il gene normale ADA vi fu introdotto attraverso un vettore, un virus reso innocuo. Le cellule "ingegnerizzate" furono poi reintrodotte nella paziente.

Gene ADA umano sano Virus Paziente con una malattia genetica del sistema immunitario Gene ADA incorporato nel virus Le cellule del sangue isolate dal paziente Le cellule geneticamente modificate sono reimpiantate e producono ADA Il virus infetta le cellule del sangue e trasferisce il gene ADA

Grazie alla terapia genica il sistema immunitario di Ashanti funziona perfettamente e ciò le ha reso possibile condurre una vita più normale.

La terapia genica per l’emofilia A In linea teorica la soluzione è semplice: essendo l'emofilia dovuta a una mutazione su un solo gene, è sufficiente inserire nei malati quel gene per guarirli.

Gli studi in corso stanno cercando di migliorare questi due aspetti… Le difficoltà riguardano i sistemi per ottenere questo: per inserire il gene sano, infatti, occorre un veicolo che lo trasporti; bisogna poi che si inserisca nel posto giusto e che lì continui a produrre la proteina in maniera costante. Gli studi in corso stanno cercando di migliorare questi due aspetti…

Eredità multifattoriale La maggior parte delle caratteristiche di un individuo, come il colore degli occhi, l’altezza, il carattere etc... non segue la trasmissione caratteristica dei geni mendeliani, ma è determinata dall'intervento di più geni, che spesso interagiscono con l'ambiente.

La gran parte delle malattie umane più frequenti sono multifattoriali. Fra queste il diabete, le malattie cardio-circolatorie, l’arteriosclerosi, l’obesita’ e il cancro.

Nelle malattie genetiche multifattoriali l'eredità è complessa e difficilmente prevedibile perché: la malattia è determinata da un insieme di fattori genetici e ambientali non si eredita la malattia ma la predisposizione ad ammalarsi anche se la predisposizione è spesso necessaria, molte persone predisposte non si ammalano mai.

La predisposizione genetica è un fattore di rischio Un fattore di rischio da solo non basta per determinare la malattia. Sono necessari altri fattori di rischio. I fattori di rischio possono essere sia di tipo genetico che ambientale. Se la somma dei diversi fattori di rischio supera la soglia, si ha la malattia.

L’arteriosclerosi è un esempio di malattia multifattoriale. Vi contribuiscono, tra gli altri fattori: il sesso dell’individuo (determinato a livello genetico), in quanto gli uomini presentano un rischio molto maggiore delle donne il fumo (fattore squisitamente ambientale)

Questo significa che anche se i nostri geni dettano quello che noi siamo, migliorando il nostro stile di vita possiamo meglio controllare quello che diventiamo.

Il cancro è una malattia genetica… E’ causata da geni difettosi NON in tutte le cellule del corpo (e quindi anche nelle cellule riproduttive, i gameti) ma solo in alcune cellule somatiche. Queste mutazioni non saranno trasmesse ai figli

…multifattoriale Fattori genetici e ambientali (dieta, fumo, esposizione a agenti mutageni) determinano la comparsa di mutazioni in alcuni geni critici della cellula. Se le mutazioni si sommano può manifestarsi il cancro

Trasformazione di una cellula normale in cellula tumorale Sappiamo che il cancro insorge quando una cellula subisce numerose variazioni molecolari. Queste variazioni hanno luogo nel corso di molti anni e solo quando la cellula non riesce più a controllare tutte le variazioni accumulate essa diventa una cellula tumorale. Cellula tumorale

Ecco perché è nato nel 1989 il PROGETTO GENOMA UMANO Non è possibile conoscere le cause genetiche di tutte le nostre malattie, le nostre caratteristiche più interessanti, le interazioni fra geni e ambiente se non curiosiamo nel nostro patrimonio genetico e lo decifriamo scoprendo la posizione di tutti i geni. Solo a questo punto potremo procedere alla ricerca della terapia. Ecco perché è nato nel 1989 il PROGETTO GENOMA UMANO

Cos’ è il Progetto Genoma Umano? Con il Progetto Genoma si è deciso di dare vita a un grande sforzo collaborativo su scala internazionale e di determinare una volta per tutte l’intera sequenza nucleotidica del genoma umano. Le sequenze di DNA sono state divise in frammenti più piccoli ognuno dei quali è stato riprodotto in quantità sufficienti per la ricerca. I frammenti sono stati distribuiti ai vari laboratori e suddivisi a loro volta in pezzi ancora più corti. Si è potuto quindi sequenziare i nucleotidi.

Obiettivi del progetto Il Progetto Genoma Umano promette di rispondere ad una serie di domande: quanti geni abbiamo; come funzionano le cellule; come evolvono gli esseri viventi; in che modo le singole cellule si trasformano in organismi complessi; cosa accade esattamente quando ci ammaliamo.

Storia del progetto: 1990: inizio 2000: annuncio della “bozza” completa della sequenza (95%) 2001: la bozza è resa pubblica 2003: fine prevista Geni umani : 25.000 - 30.000

Aspettative del progetto e bioetica Il progetto genoma è stato oggetto di molte polemiche. Questo smascheramento della nostra identità genetica, questa intrusione nel nostro privato più profondo pone degli interrogativi pressanti e sollecita preoccupazioni, timori e risentimenti. Valutiamo il caso in cui i risultati delle analisi genetiche fossero portati a conoscenza del soggetto stesso; questo potrebbe generare molta ansia e creare un nuovo tipo di malati, i "malati potenziali". I risultati delle nostre analisi genetiche possono venire in possesso di terze persone, che potrebbero dare luogo a discriminazioni.

In ogni caso la gestione delle informazioni genetiche Altri problemi sono la cosiddetta EUGENETICA, il miglioramento della specie umana, e la CLONAZIONE In ogni caso la gestione delle informazioni genetiche individuali dovrà essere disciplinata come quella di qualsiasi altro tipo di informazioni.

“Gli organismi sono sottoposti a uno sviluppo continuo, dalla nascita alla morte, uno sviluppo che è l’irripetibile conseguenza dell’interazione dei geni, della sequenza temporale degli ambienti e di processi cellulari casuali ” Richard Lewontin