Patologia Molecolare.

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1 Patologia Molecolare

2 Patologia molecolare Cerca di spiegare perché un dato cambiamento
genetico dia luogo ad un particolare fenotipo clinico

3 Patologia molecolare Ci richiede di elaborare l'effetto di una mutazione sulla quantità o sulla funzione del prodotto genico di spiegare perché il cambiamento è o non è patogeno per ogni particolare tipo cellulare, tessuto o stadio di sviluppo

4 Tipi di alterazioni sul DNA
DELEZIONI da 1 nt a più megabasi INSERZIONI MUTAZIONI DINAMICHE (unità ripetute in tandem che cambiano dimensione quando trasmesse alla prole) SLITTAMENTI DEL MODULO DI LETTURA SOSTITUZIONI DI SINGOLE BASI: MUTAZIONI SINONIME (SILENTI) MUTAZIONI MISSENSO: nel prodotto genico sostituzioni di un aa con un altro MUTAZIONI NONSENSE: sostituiscono codone di un aa con codone di stop MUTAZIONE NEI SITI DI SPLICING

5 MUTAZIONI NEI SITI DI SPLICING:
Creano o distruggono segnali di splicing tra esoni e introni. Si verificano generalmente nei dinucleotidi essenzialmente invarianti GT e AG, localizzati all’inizio di un introne (sito donatore di splicing) o alla sua fine (sito accettore di splicing)

6 MUTAZIONI CHE ALTERANO LO SPLICING
mRNA GT AG GT AG SPLICING MUTAZIONI CHE ALTERANO LO SPLICING Se la mutazione colpisce una sequenza consenso dello splicing, il processo di eliminazione degli introni non può avvenire normalmente

7 INCIDENZA DELLE DIVERSE MUTAZIONI NEL GENOMA UMANO

8 NOMENCLATURA PER DESCRIVERE L'EFFETTO DI UN ALLELE MUTATO
Allele Nullo o amorfo: un allele che non produce alcun prodotto Ipomorfo: un allele che produce un ridotto quantità o attività di prodotto Ipermorfo: un allele che produce un aumento di quantità Neomorfo: un allele con una nuova attività o prodotto Antimorfo: un allele la cui attività o prodotto antagonizza l'attività del prodotto normale.

9 CAMBIAMENTO FENOTIPICO
MUTAZIONE La mutazione di un gene potrebbe causare un cambiamento fenotipico in due modi: Il prodotto potrebbe essere ridotto o non avere funzione (mutazioni loss of function - amorfo o ipomorfo); Il prodotto potrebbe agire positivamente in modo anomalo (mutazioni gain of function - ipermorfo o neomorfo)

10 Loss of function mutation

11 Loss of function mutations
Avvengono quando mutazioni puntiformi in un gene producono gli stessi cambiamenti patologici di una delezione

12 Loss of function mutation
Per alcuni prodotti genici il 50% del livello non è sufficiente per la funzione normale, e l’aploinsufficienza produce un fenotipo anomalo, che viene quindi ereditato in maniera dominante A volte un polipeptide mutato non-funzionante interferisce con la funzione dell’allele normale in un soggetto eterozigote, dando un effetto dominante negativo (allele antimorfo) Nella maggio parte dei casi fenotipi recessivi La maggior parte dei difetti congeniti del metabolismo sono recessivi

13 Loss of function mutation
Per alcuni prodotti genici il 50% del livello non è sufficiente per la funzione normale, e l’aploinsufficienza produce un fenotipo anomalo, che viene quindi ereditato in maniera dominante

14 Mutationi loss of function nel gene PAX3 (Waardenburg s.)

15 SINDROME DI WAARDENBURG
Ciuffo di capelli bianchi o capelli brizzolati in età precoce, intorno ai 12 anni. SINDROME DI WAARDENBURG SORDITÀ neurosensoriale (o deficit uditivo di vario livello) bilaterale ALTERAZIONI nella pigmentazione, sia dei capelli (albinismo parziale, in genere piebaldismo) che della pelle, ANOMALIE nello sviluppo dei tessuti derivati dalla cresta neurale LATERALIZZAZIONE del canto mediale Aumentato spazio tra gli angoli interni degli occhi (telecanto). Sopracciglia unite Attaccatura dei capelli frontale molto bassa Una delle caratteristiche più comuni è il diverso colore degli occhi (eterocromia), di solito uno marrone e l'altro blu. Il suo nome deriva da Peter Johannes Waardenburg, un oculista tedesco che per primo notò sintomi di ipoacusia in persone con occhi di colore differente. 4 tipi di WS associazione con altre anomalie WS I WS II non è presente telecanto WS III sono presenti malformazioni agli arti WS IV è presente megacolon (malattia di Hirschsprung)

16 Sindrome Gene Ereditarietà
WS I PAX3 (fattore di trascrizione) AD 2q35 WS II MITF (fattore di trascrizione) AD 3p14.1-p12.3 WS III PAX3 (fattore di trascrizione) AD WS IV EDNRB (recettore endotelina) AR 13q22 EDN3 (endotelina) AR 20q13.2-q13.3 SOX10 (fattore di trascrizione) AD 22q13

17 Mutationi in PAX3 (locus cromosomico 2q35) causa WSI and WSIII
Mutazioni causative in PAX3 includono sostituzioni aminoacidiche, frameshifts, mutazioni di splicing, and in alcuni pazienti delezioni complete della sequenza PAX3. Tutte producono lo stesso risultato clinico: la perdita di funzione di PAX3

18 Only relatively few genes show haploinsufficiency

19 Perché relativamente pochi geni sono sensibili al dosaggio?
A volte, se il prodotto genico è necessario in grandi quantità, la capacità totale di sintesi della cellula, anche a livelli massimi di trascrizione, può essere insufficiente se una sola copia del gene è presente Esempio: elastina Nei soggetti eterozigoti per una delezione o mutazione con perdita di funzione di elastina, per la maggior parte il tessuto elastico (cute, polmoni, vasi sanguigni) lavora normalmente, ma spesso l'aorta, un tessuto molto elastico, mostra un certo grado di restringimento appena sopra la cuore (stenosi aortica sopravalvolare), che può richiedere un intervento chirurgico

20 Modi di ridurre o abolire la funzione di un prodotto genico

21 EMOGLOBINOPATIE Tre gruppi principali
1. Talassemie causate da inadeguate quantità di catene α o β Gli alleli sono classificati in quelli che non producono (a0, β0) e quelli che producono meno quantità di proteina (a+, β+)

22 Talassemie a2 a1 normale La perdita di geni a-globinici porta a forme di a-talassemia di differente severità a2-talassemia (portatore silente) a1-talassemia (anemia non significativa) Hb H disease (anemia da lieve a severa) Idrope fetale (morte fetale o in epoca neonatale)

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24 Modi di ridurre o abolire la funzione di un prodotto genico

25 Distrofia Muscolare di Duchenne
Deletions in the dystrophin (DMD) gene Distrofia Muscolare di Duchenne E’ una forma di distrofia muscolare trasmessa come carattere legato all’X che determina degenerazione progressiva delle fibre muscolari E’ dovuta all’assenza di una proteina detta Distrofina L’assenza di questa proteina determina una serie di eventi che portano a degenerazione del tessuto muscolare, che viene sostituito da tessuto fibroso e adiposo. Conseguenza clinica: progressiva perdita di forza muscolare con conseguente progressiva perdita delle abilità motorie

26 Dimensione della delezione
Delezioni nel gene della distrofina (DMD) Dimensione della delezione Frameshif produce la distrofia muscolare di Duchenne letale, in cui non viene prodotta distrofina Nonframeshif causa la forma più lieve di Becker, in cui la distrofina è presente, ma anomala

27 MUTAZIONI CHE CAMBIANO LA FASE DI LETTURA (FRAMESHIFT)
Qualunque inserzione o delezione di un numero di basi che non sia multiplo di 3 in un esone comporta necessariamente una modifica della fase di lettura. Tale situazione esita, prima o poi, nella comparsa di un codone nonsenso prematuro. Se l’alterazione ha luogo all’estremità 3’ della sequenza codificante, questa può anche essere allungata fino ad un codone nonsenso neoformato nella regione 3’ non codificante del messaggero.

28 MUTAZIONI CHE ALTERANO LO SPLICING
mRNA GT AG GT AG SPLICING MUTAZIONI CHE ALTERANO LO SPLICING Se la mutazione colpisce una sequenza consenso dello splicing, il processo di eliminazione degli introni non può avvenire normalmente

29 In generale, l’esone localizzato a monte di un sito donatore mutato, o
a valle di un sito accettore mutato, viene eliminato. SD SA

30 RITENZIONE DI UN INTRONE
SD SA

31 ATTIVAZIONE DI UN SITO CRIPTICO DI SPLICING
SD SA ATTIVAZIONE DI UN SITO CRIPTICO DI SPLICING SPLICE DONOR CRIPTICO CT GT AG

32 A volte un polipeptide mutato non-funzionante interferisce
Loss of function mutation A volte un polipeptide mutato non-funzionante interferisce con la funzione dell’allele normale in un soggetto eterozigote, dando un effetto dominante negativo (allele antimorfo)

33 Mutazioni di proteine che funzionano come dimeri o multimeri a volte producono effetti dominanti negativi Un effetto dominante negativo si verifica quando un polipeptide mutante non solo perde la propria funzione, ma interferisce in un eterozigote anche con il prodotto dell’allele normale Mutazioni dominanti negative causano effetti più gravi rispetto a delezioni o mutazioni non-senso nello stesso gene. Le proteine strutturali che contribuiscono a strutture multimeriche sono vulnerabili agli effetti dominanti negativi Esempio: Collageni

34 Struttura del collageno
Unità costitutiva è il tropocollageno ( 300 kDa): formato dall’unione di 3 catene polipeptidiche avvolte in una tripla elica destrorsa molto stretta (elica del collagene) di 300 x 1.5 nm. Struttura primaria generale di una singola catena (c.a 103 residui): Gly-X-Y330 circa 100 residui X sono Pro/Lys e 100 residui Y sono 4-OH-Pro/5-OH-Lys Struttura secondaria di una singola catena: elica sinistrorsa (struttura ordinata né  né ) stabilizzata da ponti H; 3 residui per giro

35 Il collagene di tipo I è un eterotrimero, composto da due catene alpha1 e una catena alpha2, ciascuna caratterizzata dalla ripetizione della tripletta (Gly-X-Y)338, dove X è spesso prolina e Y idrossiprolina. Il ripiegamento ottimale delle catene a formare un’elica richiede che il terzo aminoacido nella tripletta sia glicina, dal momento che la piccola dimensione della sua catena laterale può adattarsi ad occupare l’interno della tripla elica senza generare distorsioni. Y

36 Periodicità allineamento genera striature di 64 nm.
Segue struttura… 3 eliche sinistrorse sono avvolte una sull’altra a formare un’elica destrorsa (avvolta in senso orario), l’unità di tropocollageno, stabilizzata da legami deboli (ponti H) e anche covalenti  molto resistente alla trazione, ma non elastica La polimerizzazione spontanea (extracellulare!) delle unità di tropocollageno forma le fibrille collagene. Periodicità allineamento genera striature di 64 nm.

37 Tipi di collageno (almeno 12 tipi)
tipo Geni e formula peptidica distribuzione I Col 1A1; Col1A2 21 + 12 Pelle, tendini, osso, tessuto cicatriziale II Col 2A 1 Cartilagine articolare, vitreo III Col3A 1 Tessuto di granulazione, pelle, muscolo (insieme al tipo I) IV Col4A1; Col4A2 21 + 12 Non fibrillare Membrane basali; cristallino V Col 5A1; Col5A2 21 + 12 Tessuto interstiziale (insieme al tipo I)

38 Collageni fibrillari, le principali proteine strutturali del tessuto connettivo, sono costruite in triple eliche di catene polipeptidiche, a volte omotrimeri, a volte eterotrimeri, che vengono assemblati reticolati strettamente imballati a formare fibrille rigide

39 Riepilogo della sintesi del collageno

40 Un polipeptide che forma complessi con catene normali, ma poi distruggendo la tripla elica può ridurre la produzione del collagene funzionali ben al di sotto del 50%

41 Mutazioni in questi geni producono solitamente l'osteogenesi imperfetta (OI)

42 Osteogenesi imperfetta
Deformità ossee, deficit accrescimento, fratture multiple spontanee, sordità, dentinogenesi difettosa.

43 Mutazioni in questi geni producono solitamente
l'osteogenesi imperfetta (OI) Mutazioni frameshift e nonsense producono OI di tipo 1, la forma più lieve, mentre sostituzioni aminoacidiche nelle unità ripetute Gly-XY si osservano nei tipi più gravi di OI: II, III e IV.

44 Mild OI: frameshifts and
nonsense mutations Severe OI: amino acid substitutions in the Gly-X-Y repeated

45 osteogenesi imperfetta

46 Skipping dell'esone 6 (di COL1A1 o COL1A2) ha un effetto molto diverso
Viene perduto il sito per la scissione del propeptide N-terminale e il collagene anomalo prodotto provoca la sindrome di Ehlers Danlos tipo VII (lassità della pelle e delle articolazioni)

47 Ehlers-Danlos syndrome

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49 Un altro esempio di strutture multimeriche che sono soggette a effetto dominante negativo: canali ionici delle membrane cellulari Mutazioni del canale del K, la subunità KvLQT1 sono stati identificati come responsabili di entrambe le patologie: Romano-Ward (RW) e Jervell e Lange-Nielsen (JLN) sindromi del QT lungo

50 Mutazioni Loss of function (2)
L'effetto fenotipico dipende dal livello di prodotto del gene residuo Molte sostituzioni di amminoacidi hanno poco o nessun effetto, mentre alcune mutazioni aboliscono totalmente la funzione Una mutazione può essere presente in una o entrambe le copie di un gene Quando entrambi le omologhi sono colpiti, possono essere influenzati in maniera disuguale - le persone con condizioni autosomiche recessive sono spesso eterozigoti composti, con due differenti mutazioni Se entrambe le mutazioni causano la perdita di funzione, ma in misura diversa, l'allele meno grave detterà il livello di funzione residuale

51 Quattro possibili relazioni tra il livello della funzione genica residua e il fenotipo clinico

52 A. Condizione recessiva semplice
Persone eterozigoti per una mutazione del gene che abolisce totalmente la funzione sono fenotipicamente normali, a condizione che il loro allele residuo non sia molto difettoso

53 B. Condizione dominante causata da aploinsuffcienza
Questa semplice situazione è rara Se una riduzione del 50% del prodotto del gene provoca sintomi, una riduzione più grave avrà probabilmente effetti più gravi

54 C. Una condizione recessiva con gravità graduata
Examples: mutants in the X-linked hypoxanthine guanine phosphoribosyl transferase (HPRT) gene

55 sindrome da deficit di ipoxantina guanina fosforibosiltransferasi
MALATTIA DI LESCH-NYHAN sindrome da deficit di ipoxantina guanina fosforibosiltransferasi Il deficit ereditario di ipoxantina-guanina fosforibosiltransferasi (HPRT), causa, a seconda della quota di attività enzimatica residua,tre sindromi cliniche sovrapponibili Forma classica di malattia di Lesch-Nyhan: mancanza pressochè totale dell’enzima con iperproduzione di acido urico ed il caratteristico fenotipo neurocomportamentale (atteggiamenti impulsivi ed autoaggressivi) Varianti della malattia di Lesch-Nyhan: Attività enzimatica residua (tra 1,5 e 8%) con iperuricemia, alterazioni neurologiche, no alterazioni comportamentali Iperuricemia HPRT-correlata: più del’8% di attività enzimatica con iperuricemia, no alterazioni neurologiche e comportamentali

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57 La grande maggioranza dei pazienti presenta, tra i 3 e i 12 mesi di età,
ritardo motorio, più spesso ipotonia o difficoltà a raggiungere le normali tappe di sviluppo motorio Altri pazienti sono identificati per la comparsa di movimenti involontari o di aumento del tono muscolare. Una minoranza di pazienti può presentare complicanze legate alla iperproduzione di acido urico

58 Una piccola parte del labbro inferiore è stata deturpata per il continuo
mordere La parte distale di diverse dita sono ridotte per automutilazione

59 Kidneys GROWTH : SKELETAL : Height Feet Short stature Gout Other
Growth retardation SKELETAL : Feet Gout SKIN, NAILS, HAIR : Uric acid tophi NEUROLOGIC : Central nervous system Motor delay Hypotonia Self-injurious behavior, median onset age 2 years Extrapyramidal signs Choreoathetosis Dystonia Basal ganglia dysfunction Spasticity, hyperreflexia Opisthotonus Dysarthria Dysphagia Mental retardation (IQ 45-75) ABDOMEN : Gastrointestinal Vomiting GENITOURINARY : External genitalia, male Testicular atrophy Kidneys Nephrolithiasis HEMATOLOGY : Anemia Megaloblastic anemia LABORATORY ABNORMALITIES : Hyperuricemia Hyperuricosuria

60 Il deficit di ipoxantina-guanina fosforibosiltransferasi (HPRT) è ereditato come
condizione recessiva legata all’X il gene è stato mappato a livello di Xq26-q27 L’intero gene è stato clonato e sequenziato e sono state identificate più di 200 mutazioni responsabili della malattia

61 Loss of function Modificazione epigenetica può abolire la funzione del gene, anche senza un cambiamento nella sequenza del DNA Modifiche ereditabili che non dipendono da variazioni di una sequenza di DNA sono chiamati epigenetiche Es: la metilazione del DNA è un meccanismo epigenetico che svolge un ruolo importante nel controllo dei geni nei mammiferi, che agisce come un metodo generale di mantenere la repressione della trascrizione.

62 Cambiamenti nella configurazione della cromatina
imprinting Geni Imprinted sono un esempio particolarmente interessante di modificazioni epigenetiche La loro espressione è controllata da patterns di metilazione, che variano secondo l'origine parentale del gene Quando sia il meccanismo di malfunzionamento dell’imprinting o l'origine parentale non è come previsto, la perdita di funzione patogenetica o l’inappropriata espressione può verificarsi in geni intatti. Diverse malattie umane coinvolgono geni imprinted (Prader-Willi and Angelman syndromes)

63 Sindrome dell’ X Fragile
Metilazione del DNA Sindrome dell’ X Fragile

64 Cariotipo maschile con sito fragile Xq27.3

65 Questo sito fragile dà il suo nome alla sindrome
La sindrome dell’X fragile è causata da un gene in Xq27.3 Il gene che causa la condizione si trova alla fine del cromosoma X e mostra come un sito "fragile"- sembra come se la punta del cromosoma è rotto, ma non del tutto separato. Questo sito fragile dà il suo nome alla sindrome

66 FRAXA phenotype

67 5-54 55-200 >200

68 Metilazione del DNA Nella sindrome X-Fragile, il gene FMR1 viene silenziato dalla metilazione, anche se in questo caso la metilazione è innescata da un cambiamento locale della sequenza del DNA, l'espansione di una ripetizione trinucleotide Quando il numero di sequenze ripetute raggiunge il numero di , le citosine si metileranno, portando al silenziamento del gene FMR1

69 Malattie da espansione di triplette
Le malattie da espansione di triplette sono dovute ad una espansione anomala di una sequenza ripetuta (frecce rosse) di DNA

70 Errori di appaiamento per scivolamento durante la replicazione del DNA causano inserzioni o delezioni Replicazione normale Uno scivolamento all'indietro causa l'inserzione di una tripletta Uno scivolamento in avanti causa la delezione di una tripletta

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72 Generalità delle malattie da espansione di triplette
• Mutazioni dinamiche Spesso associate al fenomeno dell’ anticipazione = comparsa piu’ precoce e spesso aggravamento dei sintomi in generazioni successive di una stessa famiglia (es. DM distrofia miotonica) Espansione preferenziale nelle trasmissioni materne (FRAXA, distrofia miotonica) o parterne (corea di Huntington) Tendenza al rapporto lineare fra numero di repeats e gravita’ del quadro clinico, in genere disordini neurologici

73 Mutazioni Gain of function

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75 Un paziente omozigote per la duplicazione della malattia è molto grave
Delezione o mutazione loss of function del gene PMP22 è osservato nei pazienti con neuropatia tomaculare Un paziente omozigote per la duplicazione della malattia è molto grave Alcuni pazienti hanno solo due copie del gene PMP22, ma una sola copia porta una mutazione attivante.

76 che portano alla proliferazione cellulare incontrollata
Mutazioni Gain of function L'acquisizione di una nuova funzione è rara nelle malattie ereditarie, ma comune nel cancro Il meccanismo che genera comunemente nuovi geni funzionali è un riarrangiamento cromosomico che unisce moduli funzionali di due geni diversi Molti riarrangiamenti cromosomici acquisiti tumore-specifici producono geni chimerici con nuova attività che portano alla proliferazione cellulare incontrollata

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78 Over-espressione potrebbe essere patogenetica
Over-espressione generale di alcuni geni è comune nelle cellule tumorali. I meccanismi con cui le mutazioni genetiche somatiche producono over-espressione comprendono ripetizione completa del gene o trasposizione di un gene normalmente espresso a basso livello in un ambiente in cui la cromatina è altamente attiva

79 La natura modulare di malattie genetiche
Vi è ora una buona prova (analisi bioinformatiche) che malattie genetiche umane possano essere raggruppate sulla base delle loro somiglianze fenotipiche e che tale raggruppamento rappresenti le reali relazioni biologiche dei geni coinvolti Si potrebbe usare tale somiglianza fenotipica per prevedere e quindi testare il contributo di geni apparentemente non collegati allo stesso modulo funzionale

80 La natura modulare di malattie genetiche
RELAZIONI TRA GENI E FENOTIPI Molte sindromi possono essere causate da mutazioni nel gene stesso, e un singolo disordine può essere causato da mutazioni in geni diversi Diversi alleli di geni differenti in diversi individui si integrano in modo diverso tra loro per creare diversi fenotipi

81 Questa è la base della diversità umana fenotipica e un fattore importante che contribuisce al fatto che non esistono due individui identici Geni fortemente correlati potrebbero comportare, se mutati, identici o simili fenotipi, causando potenzialmente il fenomeno delle famiglie di sindromi

82 RELAZIONI TRA GENI E FENOTIPI

83 La sindrome di Marshall e la displasia oto-spondilo-oto-megaepifisaria hanno simili caratteristiche facciali e scheletriche come quelle della sindrome di Stickler, ma differiscono per altre caratteristiche come la sordità o la cecità Miopia Distacco di retina Sordità Palatoschisi Artropatia

84 All three genes, COL2A1, COL11A2 and COL11A1
encode fibrillar collagens that associate to form a single trimeric collagen-11 protein molecule.  COL2A1 may be tested first in individuals with ocular findings including type 1 congenital vitreous anomaly and milder hearing loss  COL11A2 may be tested for in individuals with craniofacial and joint manifestations and hearing loss, but lacking ocular findings  COL11A1 may be tested first in individuals with typical ocular findings including type 2 congenital vitreous anomaly and significant hearing loss

85 Other phenotypes associated with mutations in
COL2A1 Achondrogenesis type II (AD) Absence of ossification in the vertebral column, sacrum, and pubic bones Marked shortening of the limbs and trunk, with a prominent abdomen and hydropic appearance  Death in utero or in the early neonatal period Hypochondrogenesis  Mild variant of achondrogenesis Spondyloepiphyseal dysplasia congenita (SED congenita-AD)  Skeletal changes similar to those seen in Stickler syndrome, but more severe short stature  Flat facial profile, myopia, and vitreoretinal degeneration

86 Other phenotypes associated with mutations in
COL2A1 (2) Spondyloepimetaphyseal dysplasia (SEMD) Strudwick type (AD)  Severe short stature with severe pectus carinatum and scoliosis, cleft palate, and retinal detachment Irregular sclerotic changes ("dappled") in the metaphyses of the long bones (alternating zones of osteosclerosis and osteopenia) Kneist dysplasia (AD)  Disproportionate short stature, flat facial profile, myopia and vitreoretinal degeneration with cleft palate  Kyphoscoliosis  Variety of radiographic changes Spondyloperipheral dysplasia  Short stature, radiographic changes with a spondyloepiphyseal dysplasia  Brachydactyly E

87 Other phenotypes associated with mutations in
COL2A1 (3) Early-onset arthropathy Rhegmatogenous retinal detachment (ARDD)  Pathologic myopia and vitreoretinal degeneration

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89 MUTATIONS IN FIBROBLAST GROWTH FACTOR RECEPTOR 3
(FGFR3) Achondroplasia ÞAll achondroplastics have one of two mutations in the fibroblast growth factor receptor gene FGFR3, both of which cause the same amino acid change, G380R ÞOther mutations in the same gene produce other syndromes ÞFor unknown reasons, the mutation rate for G380R is extraordinarily high, so that achondroplasia is one of the commoner genetic abnormalities, despite requiring a very specific DNA sequence change

90 Thanatophoric dysplasia, types I and II
Diseases associated with the fibroblast growth factor receptor 3 gene Achondroplasia Hypochondroplasia Thanatophoric dysplasia, types I and II Crouzon syndrome with acanthosis nigricans Muenke syndrome Bladder cancer Colorectal cancer, somatic Cervical cancer, somatic

91 Caratterizzata da un mancato sviluppo armonico della cartilagine
El Nino de Vallecas Museo del Prado, Madrid Velázquez L'acondroplasia è la più comune causa di nanismo nell'uomo con una prevalenza 1/ nati vivi Caratterizzata da un mancato sviluppo armonico della cartilagine di accrescimento delle ossa lunghe degli arti con quindi gravi disturbi della crescita

92 Clinical features : Short stature Rhizomelic (proximal) shortening of the arms and legs with redundant skin folds on limbs Limitation of elbow extension Trident configuration of the hands Genu varum (bow legs) Thoracolumbar gibbus in infancy Exaggerated lumbar lordosis, which develops when walking begins Large head with frontal bossing Midface hypoplasia The radiologic findings of achondroplasia in children include : Narrowing of the interpediculate distance of the caudal spine Notch-like sacroiliac groove Circumflex or chevron seat on the metaphysis

93 Achondroplasia is the most common form of inherited
The penetrance of the gene is 100%, meaning that all individuals who have a single copy of the altered FGFR3 have achondroplasia. Achondroplasia is the most common form of inherited disproportionate short stature. It occurs in one in 15,000 to one in 40,000 live births.

94 Above a height of 75 cm, the weight-to-height ratio for patients with
Obesity is a major problem in achondroplasia. Excessive weight gain is manifest in early childhood. Until a height of about 75 cm is reached, the mean weight-to-height ratio for children with average stature and children with achondroplasia is virtually identical Above a height of 75 cm, the weight-to-height ratio for patients with achondroplasia exceeds that of the general population. In adults, obesity can aggravate the morbidity associated with lumbar stenosis and contribute to nonspecific joint problems and possibly to early mortality from cardiovascular complications.

95 Hypochondroplasia Differential Diagnosis
Skeletal dysplasia characterized by short stature with disproportionately short arms and legs. The skeletal features are very similar to achondroplasia but usually tend to be milder. Medical complications common to achondroplasia (e.g., spinal stenosis, tibial bowing, obstructive apnea) occur less frequently in hypochondroplasia but deficits in mental capacity and/or function may be more prevalent.

96 Physical features  The most common clinical features of hypochondroplasia include: Short stature (adult height cm; 2-3 SD below the mean in children) Stocky build Shortening of the proximal (rhizomelia) or middle (mesomelia) segments of the extremities Limitation of elbow extension Broad, short hands and feet (brachydactyly) Generalized, mild joint laxity Large head (macrocephaly) with relatively normal facies Less common but significant clinical features include: Scoliosis Bow legs (genu varum) (usually mild) Lumbar lordosis with prominent abdomen Mild to moderate mental retardation Learning disabilities Adult onset osteoarthritis

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98 Normal gene product: The FGFR3 è un recettore tirosino chinasico ed è un membro della famiglia dei recettori di crescita dei fibroblasti. FGFR3 è localizzato a livello del braccio corto del cromosoma 4, in posizione 4p16.3, è lungo 16.5 kb ed è costituito da 19 esoni. Mutazioni a suo carico sono generalmente associate a specifici fenotipi, anche se alcune alterazioni mostrano una notevole variabilità di espressione. I fattori di crescita dei fibroblasti (Fibroblast Growth Factors; FGF) costituiscono una famiglia di 9 polipeptidi ad attività mitotica, che inducono diverse risposte cellulari in numerosi sistemi biologici This family comprende 4 genei nei mammiferi (FGFRs 1-4) con una struttera altanmente conservata.

99 Thanatophoric dysplasia
I bambini con displasia tanatofora hanno un fenotipo simile a quello degli omozigoti acondroplasici, con grave nanismo rizomelico, importante ipoplasia medio-facciale, e coste cortissime per cui il torace è molto stretto. Generalmente è presente idrocefalo, evidenziabile già in epoca prenatale. L’idrocefalo può essere associato a fusione precoce delle suture coronali e lambdoidee, producendo una caratteristica deformità del cranio chiamata “cranio a trifoglio”.

100 Sulla base degli aspetti clinici e molecolari ne sono stati distinti due tipi (DTI e DTII). DTI si caratterizza per la presenza di micromelia, grave curvatura del femore e meno frequentemente cranio a trifoglio, mentre nelle forme di DTII è sempre presente micromelia, non è generalmente presente curvatura del femore, e si associa cranio a trifoglio.

101 FGFR3 è il solo gene responsabile
la DTI mostra eterogeneità allelica, mentre tutti i casi finora descritti di TDII sono causati dalla mutazione K560E localizzata nel dominio tirosin-chinasico.

102 Penetrance The penetrance of mutations in the FGFR3 gene is 100%. Prevalence Thanatophoric dysplasia occurs in approximately 1/20,000 to 1/50,000 births

103 I 4 tipi di recettori FGFR (FGFR1, FGFR2, FGFR3 e FGFR4)
hanno una struttura comune caratterizzata dalla presenza di un dominio di legame extracellulare che contiene 3 anse (loops) simili a quelli presenti nelle immunoglobuline, di un dominio transmembranoso, e di un dominio catalitico tirosin-chinasico intracitoplasmatico. La prima e la seconda ansa immunoglobulino-simili sono separate da una regione acida

104 Crouzon syndrome with acanthosis nigricans
Intellect: Normal Craniofacial: Significant proptosis, external strabismus, mandibular prognathism, craniosynostosis Extremities: Normal (although radiographic metacarpal-phalangeal profile may reveal shortening Cutaneous: The 5% of individuals with Crouzon syndrome who have acanthosis nigricans are said to have Crouzon syndrome with acanthosis nigricans. Acanthosis nigricans can be present in the neonatal period or appear later.

105 oxycephaly acanthosis nigricans the mutation in the transmembrane region of FGFR3 was detected in this syndrome

106 FGFR3 CROUZON CON A.N. TD ACONDROPLASIA TD IPOCONDROPLASIA S - S
1138 G A 1138 G C Gly (380)Arg D. transmembranoso CROUZON CON A.N. Ala(391)Glu D. transmembranario IPOCONDROPLASIA Lys(540)Leu 70% TK1 TD Arg(258)Cys IgII-IgIII interloop TD Lys(650)Met TK2

107 Muenke syndrome Some individuals with a disease-causing mutation have no clinical problems and are identified only on clinical, radiographic, or molecular genetic evaluation after the birth of an affected child. Intellect: Normal Craniofacial: Variable— may see uni- or bilateral coronal craniosynostosis, or only megalencephaly; mild-significant midface hypoplasia; ocular hypertelorism Extremities: Variable— carpal-tarsal fusion is diagnostic when present but is not present in every case; brachydactyly, carpal bone malsegregation, coned epiphyses may occur.

108 Muenke syndrome 17 months 33 years
Characterized by the premature closure of certain bones of the skull (coronal synostosis), which affects the shape of the head and face. The primary feature of this disease is prematurely fused skull bones along the coronal suture, the growth line which goes over the head from ear to ear. People with Muenke syndrome may also have mild abnormalities of the hands or feet, and hearing loss has been observed in some cases. Journal of Medical Genetics 2002;39: Six to seven percent of people with the gene mutation associated with Muenke syndrome have no closure of the sutures or other signs or symptoms of syndrome Journal of Medical Genetics 2002;39: 17 months 33 years

109 Bladder cancer

110 Colorectal cancer, somatic

111 Cervical cancer, somatic

112 Patologia molecolare delle anomalie cromosomiche
Sindromi da microdelezioni autosomiche causate dall’aploinsufficienza di più geni Sindrome di Wiliams facies tipica, ritardo di crescita, ipercalcemia, stenosi sopravalvolare aortica, modesto ritardo mentale,socievolezza, capacità musicali, incapacità nel riconoscere e manipolare le forme delezione in cr 7 di 1-2 Mb di DNA, che comprendono l’elastina Sindromi da delezione di geni contigui del cromosoma X nei maschi microdelezioni cr X producono sindrome da delezione di geni contigui; più estese sono le delezioni, maggiore è il numero di geni rimossi e più numerose sono le malattie incluse nella sindrome

113 Esempio di sindrome da geni contigui

114 Soggetti con aploinsufficienza per SHOX (inclusi i soggetti 45,X)
Y X Gene SHOX (statura) Soggetti con aploinsufficienza per SHOX (inclusi i soggetti 45,X) hanno bassa statura (inferiore al 3° percentile) e, discondrosteosi di Leri-Weill con, eventualmente, la deformità di Madelung

115 Xp22 nullisomy: associated phenotypes
ICHTHYOSIS, X-LINKED (STS) Hypertrophic ichthyosis, esp. scalp, ears, neck and flexures Dark adherent skin scales Onset by age six months KALLMANN syndrome, X-LINKED (KAL1) Hypogonadotropic hypogonadism and anosmia. KAL1, encodes a protein, anosmin, that plays a key role in the migration of GnRH neurons and Olfactory nerves to the hypothalamus. CHONDRODYSPLASIA PUNCTATA 1, X-LINKED (ARSE) Aberrant bone mineralization, Underdevelopment of nasal cartilage, Epiphyseal stippling, Distal phalangeal hypoplasia MENTAL RETARDATION, X-LINKED NONSPECIFIC

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