Fondamenti Neurobiologici e Genetici - PDF

Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola la GENETICA La genetica studia la modalità con cui vengono trasmessi i caratteri ereditari, ossia i geni, di generazione in generazione. La figura di riferimento per questa branca della biologia è G. Mendel, un abate che...

Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola la GENETICA La genetica studia la modalità con cui vengono trasmessi i caratteri ereditari, ossia i geni, di generazione in generazione. La figura di riferimento per questa branca della biologia è G. Mendel, un abate che ne formulò le leggi fondamentali; solo dopo la sua morte, le sue considerazioni vennero validate. Gli STUDI di MENDEL L'indicazione di un «disegno sperimentale» unitario e applicabile allo studio di più caratteristiche ereditarie, e la scelta di «condizioni sperimentali» particolarmente semplici e riproducibili, furono essenziali per l'esito positivo dello studio e determinanti per l'interpretazione quantitativa che egli fu in grado di fornire. Le "scelte" che stanno alla base dello studio sperimentale di Mendel comprendono: 1. Inizialmente, studiare un "carattere" (ossia, gene, ma allora il termine era sconosciuto) alla volta. 2. Scegliere caratteri che sia reperibile in due sole "forme" (ossia, forme alleliche, ma, di nuovo, il termine era sconosciuto) alternative e senza manifestazioni intermedie. 🅴🆂: il carattere "colore del seme", che può essere o giallo o verde ma non un colore intermedio tra i due. 3. Scegliere un carattere che sia facilmente e senza errori identificabile in un grande numero di individui. 🅴🆂: l'assegnazione di un colore ad un seme di dimensioni sufficientemente grandi da poter essere osservato ad occhio nudo. 4. Eseguire numerosi, identici incroci per ogni singola coppia di caratteri, partendo da linee pure, cioè da individui appartenenti a generazioni che manifestano l'identica forma del carattere. 🅴🆂: incrocio tra piante i cui semi sono invariabilmente gialli da diverse generazioni e piante che producono lo stesso seme, ma di colore verde, da diverse generazioni. 5. Per poter seguire numerosi incroci in un limitato periodo di tempo occorre scegliere degli organismi viventi che si riproducono sessualmente con un ciclo abbastanza breve: tra le specie a sua disposizione Mendel scelse la pianta di pisello (pisum sativum) che si riproduce con un ciclo stagionale. In più, Mendel, poteva realizzare una “fecondazione controllata”: i fiori di pisello normalmente si autofecondano, tuttavia, gli organi maschili possono essere rimossi dal fiore per poter fecondare manualmente il fiore con il polline di un altro fiore. 6. Ripetere lo studio su altri "caratteri", presi singolarmente in esame, in modo da verificare la validità generale delle conclusioni raggiunte. 🅴🆂: l'aspetto dei semi, liscio o grinzoso; le dimensioni del fusto, alto o basso. 7. Successivamente studiare la trasmissione ereditaria di due caratteri alla volta, indipendenti l'uno dall'altro, cioè le cui due singole "forme" di ciascun carattere si possono manifestare indipendentemente dalla "forma" dell'altro carattere che si manifesta contemporaneamente. 🅴🆂: il pisum sativum può avere semi lisci e gialli o anche lisci e verdi, rugosi e gialli oppure rugosi e verdi. I caratteri che incrociò Mendel furono: carattere dominante recessivo aspetto del seme liscio rugoso colore del seme giallo verde colore del fiore viola bianco forma del baccello liscio con costrizione colore del baccello verde giallo posizione dei fiori laterale terminale 30 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola altezza del fusto alto basso Si tratta, in tutti e sette i casi, di caratteri unitari, capaci di trasmettersi da una generazione all'altra come "unità indivisibili" e influenzanti una singola caratteristica morfologica della pianta (ad esempio, il colore o l'aspetto del seme), e indipendenti, che possono manifestarsi e trasmettersi indipendentemente gli uni dagli altri (ad esempio, si può avere una pianta con semi lisci gialli o verdi, e una con semi verdi lisci o rugosi). Gli esperimenti iniziali… - Incrociando due esemplari parentali, uno con il seme liscio di linea pura e uno con il seme rugoso di linea pura, otteniamo al primo incrocio tutte piante con il seme liscio. Se, invece, incrociamo due esemplari parentali presi dal primo incrocio, otteniamo un rapporto circa di 1:3 di seme rugoso e seme liscio. - Incrociando due esemplari parentali, uno con il seme giallo di linea pura e uno con il seme verde di linea pura, otteniamo al primo incrocio tutte piante con il seme giallo. Se invece incrociamo due esemplari parentali presi dal primo incrocio, otteniamo un rapporto circa di 1:3 di seme verde e seme giallo. … e i loro risultati Nella seconda generazione di piante, si vedono dei risultati sempre simili, in cui il carattere della linea parentale che “scompariva” nella prima generazione, ricompare. carattere dominante recessivo rapporto aspetto del seme liscio rugoso 2.96 : 1 colore del seme giallo verde 3.01 : 1 colore del fiore viola bianco 3.15 : 1 forma del baccello liscio con costrizione 2.95 : 1 colore del baccello verde giallo 2.85 : 1 posizione dei fiori laterale terminale 3.14 : 1 altezza del fusto alto basso 2.98 : 1 Per cercare di spiegare i risultati ottenuti attraverso lo studio della trasmissione ereditaria di una coppia alla volta di caratteri unitari e indipendenti, Mendel formulò la seguente ipotesi: 1. Esiste in ogni pianta di pisum sativum una coppia di "elementi" , fattori ereditari, per ciascun singolo carattere osservabile, che ne "controllano" la manifestazione e la trasmissione alle successive generazioni. 2. I due "elementi" di ogni coppia derivano ciascuno da uno dei due "genitori" della pianta, attraverso i rispettivi gameti femminili e maschili. 3. I due "elementi" si separano ("segregano") quando la pianta dà origine ai due gameti, ciascuno dei quali ne riceve uno solo. 4. I due "elementi" di ciascuna coppia possono essere identici o differenti. 5. Nel caso risultino differenti, uno di essi è "dominante" , e si manifesta, mentre l'altro è "recessivo" e resta latente. 31 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola La segregazione di una coppia di La segregazione di una coppia di La segregazione di una coppia di geni detti alleli dominanti nei geni detti alleli recessivi nei geni detti alleli nei gameti: se un gameti: se un cromosoma ha due gameti: se un cromosoma ha due cromosoma ha due alleli diversi, alleli dominanti (AA), nei gameti il alleli recessivi (aa), nei gameti il uno dominante e uno recessivo gene sarà sicuramente dominante gene sarà sicuramente recessivo (Aa), nei gameti il gene sarà o (A e A). (a e a). dominante (A) o recessivo (a). L’incrocio tra omozigote dominante e omozigote gameti A A recessivo genera eterozigoti che mostrano fenotipicamente il gene dominante ma possiedono a Aa Aa geneticamente la forma allelica recessiva. a Aa Aa Questa legge spiega la “sparizione” di una “forma” del gene nella prima generazione di piante. ➔ L’incrocio di un omozigote (P) dominante (AA) con un omozigote (P) recessivo (aa) genera individui (F1) tutti eterozigoti (Aa) che manifestano il carattere dominante (pAa=1). L’incrocio tra eterozigoti genera 2 eterozigoti che gameti A a mostrano fenotipicamente il gene dominante ma possiedono geneticamente la forma allelica A AA Aa recessiva, un omozigote recessivo e un omozigote dominante. a Aa aa ➔ L’incrocio tra due eterozigoti (Aa) tra di loro genera individui (F2) omozigoti dominanti (AA) eterozigoti (Aa) e omozigoti recessivi (aa): i primi due manifestano il carattere dominante, mentre gli ultimi quello recessivo (pAA=1/4; pAa=1/2; paa=1/4). Gli esperimenti successivi… - Incrociando due esemplari parentali, uno con il seme liscio e giallo di linea pura e uno con il seme rugoso e verde di linea pura, otteniamo al primo incrocio tutte piante con il seme liscio e giallo. Se, invece, incrociamo due esemplari parentali presi dal primo incrocio, otteniamo un rapporto circa di 9: 3: 3: 1 di seme liscio e giallo, di seme liscio e verde (non era nelle linee parentali), di seme rugoso e giallo (non era nelle linee parentali), di seme rugoso e verde. … e i loro risultati 32 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola Segregazione di una coppia di geni detti alleli indipendenti nei gameti. L’incrocio tra omozigoti dominanti e omozigoti gameti AB AB recessivi genera eterozigoti che mostrano fenotipicamente i geni dominanti ma possiedono ab Aa Aa geneticamente la forma allelica recessiva. Bb Bb ab Aa Aa Bb Bb ➔ L’incrocio di omozigoti dominanti (AABB) e recessivi (aabb) per entrambi i caratteri (P) genera individui (F1) tutti eterozigoti (AaBb) per i due caratteri e che ne manifestano i dominanti (pAaBb=1). gameti AB Ab aB ab L’incrocio di due eterozigoti per AB AA AA Aa Aa entrambi i caratteri genera BB Bb BB Bb individui omozigoti dominanti, recessivi e misti, ossia, individui Ab AA AA Aa Aa eterozigoti per uno o entrambi i Bb bb Bb bb caratteri. Possono così manifestarsi insieme sia i due aB Aa Aa aa aa caratteri dominanti e i due BB Bb BB Bb caratteri recessivi, che un carattere dominante e uno ab Aa Aa aa aa recessivo. Bb bb Bb bb ➔ L’incrocio di due eterozigoti (F1) per entrambi i caratteri (AaBb), tra di loro genera individui (F2) omozigoti dominanti (AABB), recessivi (aabb) e misti (AAbb e aaBB), e individui eterozigoti per uno o entrambi i caratteri (AABb, aaBb, AaBB, Aabb, AaBb) : possono così manifestarsi insieme sia i due caratteri dominanti e i due caratteri recessivi, che un carattere dominante e uno recessivo (pAABB=1/16; paabb=1/16; pAAbb=1/16; paaBB=1/16; pAABb=1/8; paaBb=1/8; pAaBB=1/8; pAabb=1/8; pAaBb=1/4). Le LEGGI della GENETICA MENDELIANA : 1. Legge della dominanza: riguarda la trasmissione di un solo carattere; dall'incrocio di due individui (genitori, P) geneticamente puri (omozigoti, AA o aa) per un carattere ereditario, ma differenti in due diverse forme (alleli) dello stesso carattere (A e a), si ottengono individui di prima generazione (F 1) tutti geneticamente ibridi (eterozigoti, Aa), che manifestano (fenotipo) il carattere di uno dei due genitori (carattere dominante, "A"), mentre l'altro rimane latente (carattere recessivo, “a"). 2. Legge della segregazione: riguarda la trasmissione di un solo carattere dominante o recessivo; dall'incrocio di individui di prima generazione (F1) geneticamente ibridi per un carattere (eterozigoti, Aa), si ottengono individui (di seconda generazione, F2) che manifestano (fenotipo) le forme del carattere presenti in entrambi i progenitori (P): la forma dominante del carattere ("A") persiste nel 75% dei casi (25% omozigoti AA, e 50% eterozigoti Aa) e la forma recessiva del carattere ("a") riappare nel 25% dei casi (omozigoti aa). 33 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola 3. Legge dell’assortimento indipendente: riguarda la trasmissione di due caratteri dominanti o recessivi; nell'incrocio fra individui che differiscono tra loro per le forme (alleli A/a, B/b, C/c,...) di due o più caratteri geneticamente indipendenti ("A", "B", "C",...), le forme dei caratteri si trasmettono da una generazione all'altra combinandosi negli individui indipendentemente le une dalle altre (casualmente), e si ritrovano nelle proporzioni previste dal calcolo delle probabilità. dalla genetica mendeliana alla teoria cromosomica fattori ereditari = geni localizzati sui cromosomi copia di fattori di ciascun carattere ereditario = coppia di alleli forme di un gene presenti sui cromosomi omologhi carattere controllato dai fattori ereditari = fenotipo controllato dal genotipo segregazione = meiosi assortimento indipendente dei fattori ereditari nei = distribuzione indipendente nei gameti dei geni o gameti alleli che sono localizzati su cromosomi diversi Il comportamento dei cromosomi sessuali, fu descritto per la prima volta e indipendentemente da Nettie Stevens e Edmund Wilson nel 1905. I due ricercatori mostrarono che il carattere "sesso", nelle sue due forme maschile e femminile, è determinato dalla presenza di due cromosomi separati, indicati con X e Y. In molti organismi, il sesso femminile è dovuto alla presenza nelle cellule di due copie del cromosoma X (XX), mentre quello maschile ad una copia di ciascun cromosoma (XY). I movimenti dei cromosomi X e Y durante la formazione dei gameti sono esattamente prevedibili dalla genetica mendeliana: ciascun uovo riceve una singola copia di X, mentre ciascun spermatozoo può ricevere un cromosoma X o uno Y. Alla fertilizzazione, il sesso del nuovo individuo verrà determinato dal tipo di cromosoma contenuto nello spermatozoo. La classificazione dei cromosomi Autosomi: Sono i cromosomi presenti nel nucleo delle cellule somatiche diploidi in coppie omologhe (cromosomi omologhi). Sono detti anche "cromosomi non sessuali". Il cariotipo umano normale è costituito da 44 autosomi (22 coppie omologhe). Eterosomi o cromosomi sessuali: Sono i due cromosomi X e Y che determinano il sesso genetico degli individui. Costituiscono una coppia che può essere omologa (XX: sesso femminile) o eterologa (XY: sesso maschile). Il cariotipo umano normale comprende due eterosomi (XX oppure XY). la genetica umana Simboli usati per l'analisi e la rappresentazione degli alberi genealogici o pedigrees umani: = femmina = gemelli dizigoti, ossia, che derivano dalla fecondazione di due ovociti da parte di due spermatozoi contemporaneamente o nel giro di pochi giorni. 34 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola = maschio = gemelli omozigoti, ossia, che derivano dalla fecondazione di un solo ovocita da parte di uno spermatozoo e dalla successiva separazione in due masse di cellule diverse. = deceduti = rapporto tra consanguinei = rapporto coniugale = individui affetti da una patologia = genitori e prole = individui portatori sani di una patologia = portatrice sana di una = aborto o mortinatalità malattia recessiva X linked = sesso non definito o = paziente o soggetto per cui si specificato richiede un’analisi genetica È fondamentale porsi due domande quando si studiano le malattie genetiche umane. 1. Quali cromosomi interessa la malattia genetica? Le malattie genetiche umane possono collocarsi o sui cromosomi autosomi (dal cromosoma 1 al 22), quindi viene definita autosomica, o sui cromosomi eterosomi (su X o Y), quindi viene definita eterosomica. È importante definire questo aspetto della malattia perché la trasmissione genetica della mutazione è diversa. 2. La modalità con cui si manifesta la malattia è recessiva o dominante? La FIBROSI CISTICA (mucoviscidosi) è una malattia genetica autosomica, collocata sul cromosoma 7, e recessiva, affinché si manifesti la malattia è necessario che entrambi gli alleli del gene CFTR debbano essere mutati. È una malattia particolarmente diffusa. La fibrosi cistica (mucoviscidosi) è una malattia ereditaria di tipo recessivo, legata agli autosomi della coppia numero 7, ⇦ caratterizzata, tra l'altro, da un secreto delle ghiandole mucose di tipo eccezionalmente spesso, insufficienza pancreatica in circa l'80% dei pazienti, sterilità negli uomini e subfertilità nelle donne. Si manifesta in circa 1 nato su 2500. Il gene CFTR codifica per il canale del cloro, ossia una proteina che si pone a livello della membrana plasmatica di alcune cellule, tra cui le cellule polmonari e pancreatiche, e regola il flusso dello ione cloro, interno ed esterno. È una proteina fondamentale affinchè i fluidi extracellulari mantengano una certa fluidità e non diventino densi e appiccicosi, come accade nei soggetti malati di questa patologia. 35 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola La COREA DI HUNTINGTON è una malattia genetica autosomica, collocata sul cromosoma 4, e dominante, affinché si manifesti la malattia è sufficiente che solo un allele del gene sia mutato. È una malattia molto rara. La corea di Huntington è una malattia rara neurodegenerativa del sistema nervoso centrale, a trasmissione autosomica dominante, caratterizzata da ⇦ movimenti involontari rapidi e aritmici (corea) che interessano tutti i muscoli, disturbi psichiatrici e del comportamento e demenza. L’incidenza nella popolazione è di circa 1/20000. La malattia si manifesta tra i 30-50 anni. È causata dall'espansione di una tripletta ripetuta, CAG, nella parte iniziale del gene dell'huntingtina (cromosoma 4). Il gene IT15, in particolare, il sesto esone, è coinvolto nella mutazione. L'IPERCOLESTEROLEMIA FAMILIARE è una malattia genetica autosomica e dominante, affinché si manifesti la malattia è sufficiente che solo un allele del gene sia mutato. È una malattia molto diffusa. L'ipercolesterolemia familiare è caratterizzata dalla presenza, sin dalla nascita, di altI livelli di colesterolo ⇦ nel sangue che predispone il soggetto al rischio di una insorgenza precoce dI patologie cardiovascolari aterosclerotiche (🅴🆂: infarto miocardico). Si manifesta sia negli omozigoti che neglI eterozigoti, con una frequenza complessiva di circa 1 nato su 500. Il gene colpito sintetizza per il recettore che permette l’internalizzazione delle lipoproteine della classe LDL, ossia, quelle che contengono il colesterolo. Negli eterozigoti, il recettore o non viene prodotto o viene prodotto ma difettoso dell'allele mutato, mentre viene prodotto correttamente dall'allele sano. Quindi negli eterozigoti, una certa quantità di colesterolo viene assorbita, ma non è sufficiente, infatti i sintomi clinici della malattia appaiono comunque. In questo caso, le LDL iniziano ad associarsi alle pareti dei nostri vasi causando problemi circolatori. Negli omozigoti (ne esistono pochi casi riportati solo in letteratura perché ora è facile rilevare gli individui malati), i sintomi clinici sono molto gravi sin dalla nascita ed è difficile mantenerli in vita. La DISTROFIA MUSCOLARE DI DUCHENNE è una malattia genetica eterosomica X-linked e recessiva. Le malattie di questo tipo colpiscono solo i maschi, mentre le donne possono essere solo portatrici sane. La distrofia muscolare di Duchenne è una miopatia cronica ereditaria, di tipo recessivo e legata al ⇦ cromosoma X, colpisce quasi esclusivamente i maschi. L'esordio dei sintomi somatici ha di solito luogo tra i 3 e i 7 anni di età. Nei bambini affetti il QI è inferiore a 75 in un terzo dei casi e inferiore a 50 in circa il 5% dei soggetti. Quando è presente, il ritardo mentale è evidente già nelle prime fasi dello sviluppo e non è progressivo. Il gene colpito è quello che sintetizza per la distrofina, una proteina che gioca un ruolo molto importante nella contrazione muscolare; per chi porta la mutazione, la contrazione muscolare è compromessa, i problemi più gravi insorgono nei muscoli addetti alla respirazione e al battito cardiaco. Talvolta si nota in alcuni soggetti un ritardo mentale, ma non è ancora chiaro il motivo. 36 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola La SINDROME DI RETT è una malattia genetica eterosomica X-linked e dominante. La sindrome di Rett è una malattia neurologica dello sviluppo, che interessa il sistema nervoso centrale, a ⇦ trasmissione eterosomica dominante, caratterizzata da un grave deficit cognitivo, perdita della motricità, perdita della capacità di interagire e socializzare e comparsa di movimenti stereotipati delle mani. Questa sindrome colpisce essenzialmente le femmine e la prevalenza è stimata in circa 1/10.000. La malattia si manifesta dopo i primi 6-18 mesi di vita. La maggior parte delle mutazioni associate all’insorgenza della sindrome sono state identificate nel gene MeCP2 (cromosoma X). Il gene MECP2 si trova sul cromosoma X e sembra essere essenziale per la normale funzione delle cellule nervose. Un individuo di sesso femminile che manifesta la mutazione sul gene X, sopravvive manifestando la sindrome di Rett visto che l’altro gene X sano può provvedere alla normale funzione delle cellule nervose. Un individuo di sesso maschile che manifesta la mutazione sul gene X, non sopravvive perchè non può provvedere alla normale funzione delle cellule nervose. Le ECCEZIONI a MENDEL: le leggi (o “principi”) di Mendel costituiscono un algoritmo per calcolare l'esito di incroci tra organismi portatori di caratteri ereditari "semplici" (chiamati “caratteri mendeliani”). Esse costituiscono la base dell'analisi genetica "classica" dell'ereditarietà. Ma la realtà dei geni e dei cromosomi è più varia di quanto non risulti dai casi in cui si possono applicare esattamente ed esclusivamente le leggi di Mendel. Estensioni ed eccezioni abbondano: ciò non significa che questi casi invalidano i principi mendeliani, ma mostrano che esistono situazioni "complesse" che non possono essere spiegate sulla sola base della segregazione e dell'assortimento di una o più coppie di geni indipendenti e del rapporto di dominanza o recessività tra due alleli di un singolo gene. Alcune di queste eccezioni comprendono: - la DOMINANZA INCOMPLETA : nel caso di caso di individui eterozigoti (Aa), il fenotipo osservabile non corrisponde né a quello degli omozigoti per l'allele ritenuto dominante (AA) né a quello degli omozigoti per l'allele considerato recessivo (aa): si ha il cosiddetto fenotipo "intermedio". 🅴🆂: il colore rosa dei petali nei fiori di piante ibride (F1) ottenute dall'incrocio di una linea pura a fiori bianchi con una linea pura a fiori rossi; nella F2 si avranno piante con fiori bianchi (p = 1/4), rosa (p = 1/2) e rossi (p = 1/4). 🅴🆂: nell'uomo, abbiamo il gene che codifica per la catena β dell'emoglobina, un allele del quale causa la genesi di una forma patologica degli eritrociti (globuli rossi) detta anemia a cellule falciformi. - la CODOMINANZA: nel caso di individui eterozigoti manifestano insieme i fenotipi di entrambi gli omozigoti. Praticamente, nella codominanza non vi è né dominanza né recessività. 🅴🆂: nell’uomo, abbiamo i geni che determinano il gruppo sanguigno (ossia, l’espressione di certe proteine sulla membrana dei globuli rossi) tipo M-N. Uomini e donne appartengono a uno dei tre gruppi (M, N ed MN) in dipendenza dal loro genotipo. genotipo fenotipo LMLM → M LNLN → N LMLN → MN Il fenomeno, che si discosta dall'ereditarietà mendeliana semplice che prevede due sole forme geniche per ciascun carattere, consiste nella presenza di più di due alleli dello stesso gene: questi possono accoppiarsi tra loro e formare diversi genotipi (più di 3), che daranno luogo a vari fenotipi (più di 2). 🅴🆂: nell'uomo, abbiamo il gene che codifica per il sistema ABO del gruppo sanguigno: nel genoma umano sono riscontrabili coppie di tre diversi alleli, che contribuiscono alla determinazione del tipo di gruppo sanguigno in ciascun individuo. La proteina che si produce 37 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola dal gene i0 è molto breve e non protrude dalla membrana dei globuli rossi, mentre le proteine che si producono dai geni IA e IB protrudono e hanno forme diverse. genotipo fenotipo i0i0 → 0 il gruppo sanguigno 0 è il donatore universale. IAIA o IAi0 → A IBIB o IBi0 → B IAIB → AB il gruppo sanguigno AB è il ricevente universale - i CARATTERI POLIGENICI o MULTIFATTORIALI: soprattutto negli organismi viventi più complessi, molti caratteri sono controllati non da un singolo gene (come, ad esempio, nel caso dei 7 caratteri del Pisum sativum studiati da Mendel, o dei gruppi sanguigni dell'uomo) ma da più geni, localizzati in regioni diverse sull'identico cromosoma o su cromosomi differenti del genoma. Gli esiti complessivi, ossia i fenotipi, dell'interazione tra i vari geni presentano tra loro differenze quantitative valutabili attraverso dei valori assegnati a particolari parametri somatici (ad esempio l'altezza o il colore della pelle) o psichici (ad esempio, il QI) e non semplicemente qualitative, come nel caso di caratteri controllati da un solo gene. 🅴🆂: nell'uomo, abbiamo la statura e la pigmentazione della pelle. - la PLEIOTROPIA: numerosi geni hanno una azione multipla, influenzano cioè parecchi caratteri. Il prodotto dell'espressione di un singolo gene può infatti avere degli effetti che determinano, in tutto o in parte, caratteristiche diverse degli organismi. 🅴🆂: Mendel si accorse che i piselli con i fiori colorati hanno sempre anche i tegumenti dei semi colorati, mentre quelli con fiori bianchi hanno invariabilmente il tegumento incolore. 🅴🆂: nell'uomo e in altri animali, abbiamo l'albinismo. La mancanza del pigmento chiamato melanina causa una malattia autosomica recessiva nota come albinismo: la carenza di melanina influenza non solo l'aspetto dei capelli e dei peli, ma anche il colore dell'iride e della pelle. 🅴🆂: nell’uomo, abbiamo anche la fibrosi cistica. La produzione di una glicoproteina anomala che ispessisce abnormemente le secrezioni mucose (malattia autosomica recessiva) compromette diverse funzioni fisiologiche: la digestione, la traspirazione, e la respirazione (le infezioni polmonari sono la più frequente causa dei decessi tra i pazienti affetti da fibrosi cistica. le mutazioni e le sindromi da aberrazione cromosomica La trasmissione ereditaria dell'informazione genetica è notevolmente precisa: molti geni passano di generazione in generazione immutati. La prole differisce dai genitori (variabilità genetica) non perché i geni sono cambiati, ma a causa della ricombinazione degli alleli attraverso la riproduzione sessuata: i fenomeni della segregazione dei cromosomi e del crossing-over "rimescolano" i cromosomi e i geni ad ogni generazione, ma non ne alterano la struttura (sequenza polinucleotidica che trasmette l'informazione). Talvolta, anche se raramente, si può avere anche una variazione nell'informazione genetica, che viene chiamata mutazione. Questa variazione, che "trasforma" un gene, modificando la sua lunghezza e/o sequenza nucleotidica, o che modifica la struttura dei cromosomi o di regioni di essi, può dipendere da una trasformazione chimica, detta reazione, a carico di uno o più nucleotidi del DNA (cause esogene, derivate dall’ambiente) o da un errore nella replicazione dello stesso DNA (cause endogene, errori della DNA polimerasi). Le mutazioni possono essere: geniche: cromosomiche riguardano i singoli geni che sono riguardano il numero e la struttura dei localizzati sui cromosomi. Le principali singoli cromosomi o il numero mutazioni geniche sono dovute a sostituzione, inserzione e dell'intero corredo cromosomico. delezione o duplicazione. 38 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola In condizioni "naturali", le mutazioni sono molto rare. Si stima che, negli animali e nell'uomo, un errore nella copiatura del materiale genetico a carico della DNA polimerasi possa avvenire mediamente una volta ogni circa 100.000 replicazioni del DNA. Esistono però condizioni fisiche e sostanze chimiche che sono in grado di far aumentare la frequenza delle mutazioni: questi agenti sono chiamati mutageni. Le MUTAZIONI GENICHE: nell'uomo la frequenza di mutazione genica "spontanea" può essere misurata prendendo in esame mutazioni che producono alleli dominanti (e quindi espresse nel fenotipo) oppure mutazioni recessive di geni localizzati sul cromosoma X (riscontrabili fenotipicamente nei maschi). Le mutazioni possono insorgere per: - sostituzione, sono dette mutazioni puntiformi: mutazione di senso o missenso: quando la sostituzione converte una tripletta in un'altra tripletta che codifica per un amminoacido diverso da quello originale. La loro gravità dipende dall’amminoacido che cambia. 🅴🆂: DNA TAA mutazione → TGA mRNA AUU → ACU proteina Ile → Thr mutazione silente: quando la sostituzione converte una tripletta in un'altra tripletta che codifica per lo stesso aminoacido (tripletta "sinonima"). La proteina codificata non subirà variazioni nella sequenza degli amminoacidi. 🅴🆂: DNA TAA mutazione → TAG mRNA AUU → AUC proteina Ile → Ile mutazione non senso: quando la sostituzione converte una tripletta in una delle tre triplette che agiscono come "segnali di terminazione" della traduzione: ATT, ATC e ACT (mRNA: UAA, UAG e UGA). In questo caso la sintesi proteica codificata dal gene mutato viene arrestata nel punto in cui si incontra la tripletta “non senso", con produzione di un polipeptide più corto, quasi sempre non funzionale. - inserzione e delezione: l'inserzione o la delezione di uno o più nucleotidi nella sequenza di un gene che codifica per una catena polipeptidica di solito altera completamente l'informazione contenuta nel gene stesso, in quanto quasi tutte le triplette che vengono lette successivamente al punto in cui è avvenuta l'inserzione o la delezione cambiano "significato". Avviene cioè uno spostamento della “cornice di lettura” della sequenza di basi, e il fenomeno prende il nome di "mutazione da scivolamento della cornice di lettura" (frame-shift mutation). Le proteine così create sono dette aberranti, di solito non hanno funzione e vengono eliminate. - duplicazione. Le MUTAZIONI CROMOSOMICHE: le mutazioni possono insorgere per: - anomalia o aberrazione strutturale: la delezione: la rottura in due punti di un braccio può provocare la perdita di un frammento (contenente più geni e regioni extrageniche) di cromosoma. Nel cariotipo umano le delezioni che si osservano più frequentemente sono quelle a carico del cromosoma X, dei bracci p dei cromosomi 4 e 5, e del cromosoma 18. l’inversione: alcune volte la rottura in due punti non provoca la perdita del frammento, ma la sua reinserzione in ordine inverso rispetto a prima della rottura. Questo può avvenire quando il 39 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola cromosoma forma un "loop" ("cappio", "ansa"), si spezza e si risalda con il segmento del «loop». - traslocazione: il processo coinvolge due distinti cromosomi, che si scambiano dei frammenti o si fondono tra di loro. In entrambe i casi, se non va perso nessun materiale cromosomico essenziale e non vengono danneggiati dei geni durante la rottura e la unione dei frammenti, gli individui portatori di una traslocazione reciproca o di una fusione risultano geneticamente e clinicamente normali. Essi sono però a rischio per quanto riguarda i figli, che possono essere affetti da aneuploidie. ⇨ I cromosomi sono costituiti da un unico filamento di DNA, di lunghezza variabile, da qualche migliaio di nucleotidi, come per i cromosomi dei procarioti e degli eucarioti inferiori, sino a diversi milioni di nucleotidi, nei cromosomi degli eucarioti superiori. Ciascun cromosoma contiene numerosi geni nella sua sequenza polinucleotidica, insieme ad ampie regioni extra-geniche, sequenze che sembrano non corrispondere a nessun gene, e il cui significato o ruolo non è stato ancora chiarito. La localizzazione dei singoli geni su ciascun cromosoma, la posizione reciproca dei geni lungo il cromosoma, e la "distanza" tra di essi, costituisce quella che viene chiamata mappa cromosomica. Si stima che il numero di geni che costituiscono il genoma dell’uomo sia compreso tra 20.000 e 25.000, contenuti in molecole di DNA della lunghezza complessiva di circa 3.000.000 Kb (3.000.000.000 di nucleotidi). Il DNA è suddiviso in 23 cromosomi, ciascuno dei quali è costituito da una singola, lineare, molecola polinucleotidica avente struttura tridimensionale a doppia elica, di lunghezza compresa tra 55.000 Kb (cromosoma 21) e 250.000 Kb (cromosoma 1). Solo 1/4 circa di tutto il DNA cromosomico comprende geni e sequenze correlate ai geni, mentre i restanti 3/4 sono costituiti da sequenze extrageniche la cui funzione non è nota. ⇨ L’analisi del cariotipo umano valuta le aberrazioni strutturali e il numero dei cromosomi di un individuo. È consigliato in età prenatale quando si intraprende una gravidanza in età piuttosto avanzata quando le anomalie cromosomiche sono più frequenti; durante questo processo viene prelevata una certa quantità di liquido amniotico contenente residui di cellule sfaldate del feto. È consigliato in età postnatale quando, ad esempio, una coppia ha avuto una mutazione cromosomica al primo figlio. In generale, le fasi dell’analisi del cariotipo sono: 1. prelievo di sangue periferico venoso, e coltura per 48-72 h a 37° C; 2. aggiunta di colchicina per arrestare la mitosi alla metafase e centrifugazione per separare le cellule; 3. si aspira il terreno di coltura e si aggiunge in successione una soluzione ipototonica e un fissativo; 4. le cellule vengono risospese con delicatezza 40 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola e alcune gocce di preparato deposte su un vetrino per microscopia; 5. il vetrino viene colorato e osservato al microscopio ottico; 6. i cromosomi metafasici vengono microfotografati; 7. i singoli cromosomi vengono ordinati e ricomposti per ottenere il cariotipo. I cromosomi metafasici possono essere facilmente contati. Essi vengono numerati secondo la convenzione internazionale indicata dalla Conferenza di Parigi (1971). Il numero totale dei cromosomi di un cariotipo, e il tipo di eterosomi (cromosomi sessuali) viene così indicato: CARIOTIPO UMANO femminile normale → 46, XX CARIOTIPO UMANO maschile normale → 46, XY CARIOTIPO UMANO femminile con un autosoma in più → 47, XX (tra parentesi: numero del cromosoma in più) CARIOTIPO UMANO femminile con un eterosoma in più → 47, XXX CARIOTIPO UMANO maschile con due eterosomi in più → 48, XXXY ANOMALIE POLIPLOIDIA = aumento del numero dei sets completi di cromosomi: triploidia (3n), NUMERICHE: tetraploidia (4n); nell’uomo non può accadere. sono variazioni nel numero dei ANEUPLOIDIA: ne esistono di vari AUTOSOMICA = variazione (aumento o diminuzione) cromosomi del tipi: del numero dei singoli cromosomi autosomi. cariotipo - monosomia: un solo - Monosomia: l'unica nota tra i nati vivi è la umano cromosoma omologo; rarissima monosomia 21. normale - trisomia: tre cromosomi - Trisomia: le sole che hanno una frequenza (cariotipo omologhi; rilevabile tra i nati vivi sono: trisomia 13 (circa EUPLOIDE). - tetrasomia: quattro 1 su 10000 neonati); trisomia 18 (circa 1 su cromosomi omologhi. 5000 neonati), trisomia 21 (circa 1 su 700 neonati). ETEROSOMICA = variazione (aumento o diminuzione) del numero dei singoli cromosomi eterosomi. - Monosomia: L'unico dei due possibili casi che si riscontra tra i nati vivi è il 45,X (o 45,XO), con una frequenza di circa 1 su 2700 nate. - Trisomia: Si possono riscontrare i seguenti casi: 47,XXX (circa 1 su 800 neonate); 47,XXY (circa 1 su 700 neonati); 47,XYY (circa 1 su 700 neonati). - Tetrasomia: Si possono riscontrare i seguenti rari casi: 48,XXXX; 48,XXXY; 48,XXYY; 48;XYYY. - Pentasomia: Sono stati riscontrati i seguenti rari casi: 49,XXXXX; 49,XXXXY; 49,XXXYY;49,XXYYY; 49, XYYYY. ANOMALIE (o Modificazione nella struttura di uno o più cromosomi del ABERRAZIONI) cariotipo umano normale. Le anomalie di struttura che STRUTTURALI più comunemente possono essere osservate nei cariotipi umani sono dovute a: - DELEZIONI; - INVERSIONI; - TRASLOCAZIONI. 41 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola Le SINDROMI AUTOSOMICHE La SINDROME DI DOWN o TRISOMIA 21 : è la più comune e meglio studiata delle sindromi da trisomia autosomica, e fu la prima anomalia cromosomica ad essere riconosciuta come tale (J. Lejeune e collaboratori, 1959). Deve il suo nome al medico Langdon Down, che nel 1867 descrisse per primo alcune caratteristiche di una forma di ritardo mentale che egli chiamò "mongolismo". La presenza di un cromosoma numero 21 in eccesso è quasi sempre dovuta ad una non-disgiunzione dei due omologhi durante la meiosi, con conseguente formazione di un gamete portatore di due cromosomi 21. Recenti studi hanno dimostrato che questo "errore" avviene nell'80% dei casi durante la meiosi I, e per circa i 3/4 nella meiosi materna (oogenesi), mentre solo in 1/4 dei casi avviene durante la meiosi paterna (spermatogenesi). È compatibile con la vita perché il cromosoma 21 è molto piccolo e contiene pochi geni. Il quadro clinico della sindrome di Down comprende: ritardo nello sviluppo fisico e psichico: il QI medio misurato con il test di Binet in bambini dai 3 ai 9 anni affetti da sindrome di Down è inferiore a 50; dismorfia craniofacciale: brachicefalia, epicanto, radice del naso appiattita, lingua grossa e spesso protrudente, denti piccoli a disposizione irregolare; i bambini appaiono ipotonici e di altezza inferiore alla media dei coetanei; malformazioni cardiache in circa il 40-50% dei neonati; predisposizione a sviluppare la leucemia da 3 a 18 volte superiore a quella dei soggetti normali; l'aspetto degli organi genitali esterni ed interni è normale e i soggetti sono fertili o subfertili. effetto dell'età della madre sulla frequenza ⇨ con cui si manifesta tra i neonati la sindrome di Down: il rischio che un bambino nasca affetto da sindrome di Down cresce quasi esponenzialmente con l'età della madre. È dell'ordine di 1 su 2000 figli a 20 anni, di 1 su 1000 a 30 anni , e sale a più di 1 su 300 a 35 anni e a 1 su 100 figli quando l'età materna è compresa tra i 40 e i 45 anni, per arrivare a meno di 1 su 50 dopo i 45 anni. L'età paterna non sembra invece avere una influenza significativa sulla frequenza della sindrome di Down. La SINDROME DI EDWARDS o TRISOMIA 18 : è stata originariamente descritta da J.H. Edwards e collaboratori nel 1960. Il quadro fenotipico comprende: - peso alla nascita inferiore alla media; - ritardo nello sviluppo psicofisico; - accavallamento delle dita delle mani con impianto distale del pollice; - malformazioni degli arti inferiori e dei piedi; - deformità dello sterno; - anomalie cardiache. Molte gravidanze terminano prima della nascita, viene definita compatibile con la vita, tuttavia il 90% dei bambini affetti muore nei primi sei mesi di vita per problemi cardiaci o polmonari. La SINDROME DI PATAU o TRISOMIA 13 : è stata originariamente descritta da K. Patau e collaboratori nel 1960. Il quadro fenotipico: - microcefalia e microftalmia; - labbro leporino e polidattilia; - malformazioni cardiache, dell'apparato digerente e urinarie; - anomalie genitali: nei maschi, criptorchidismo e anomalie scrotali; femmine: utero bicorne, ipertrofia del clitoride, doppio condotto vaginale; - ritardo mentale. La sopravvivenza è scarsa, varia a seconda del sesso, ed è più favorevole per le femmine. La maggior parte dei pazienti muore a 3-6 mesi di vita, a causa di problemi cardiaci e polmonari. In uno studio sulla sindrome di Patau: ad un anno di età il 38% degli individui era vivente, a 5 anni il 13%, a 10 anni il 3%. Il più vecchio soggetto al 42 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola momento della ricerca aveva 9 anni ed è vissuto fino ad 11. La media di vita è stata di 12,8 mesi: nei maschi 3,6 mesi, nelle femmine 20,4 mesi. https://laquerciamillenaria.it/ Le SINDROMI ETEROSOMICHE La SINDROME DEL TRIPLO X (47, XXX): è compatibile con la vita e non ha un quadro fenotipico senza anormalità. La SINDROME DI TURNER (45, X): nel 1938 Turner descrisse per la prima volta una sindrome caratterizzata da fenotipo femminile, piccola statura, assenza di pubertà con conseguente amenorrea primaria e sterilità, e da alcune malformazioni somatiche, quali collo corto e ingrossato e deformazione del torace, che presenta un diametro eccessivamente largo rispetto a quello della pelvi. Il cariotipo anomalo (45,X), responsabile della sindrome, venne identificato nel 1959 da Ford e collaboratori. L'intelligenza è normale o, talvolta, leggermente subnormale. La sindrome è compatibile con la vita ma comporta alcuni problemi nel quadro clinico e diventa chiaramente manifesta nella pre-adolescenza, durante la quale si osserva che i genitali esterni rimangono infantili, i caratteri sessuali secondari non si sviluppano, e le ovaie non maturano né oociti né follicoli (nel 95% dei casi). Se viene identificata precocemente, i soggetti affetti dalla sindrome possono essere soggetti a terapie con ormoni della crescita (aumento tra i 5 e i 10 cm) e con gli estrogeni e progestinici. La SINDROME DI KLINEFELTER: nel 1942 Klinefelter e collaboratori comunicarono di avere identificato una sindrome caratterizzata da fenotipo maschile, ginecomastia, atrofia testicolare e conseguente sterilità. Un cariotipo anomalo responsabile della sindrome (47, XXY; 48, XXXY) venne determinato nel 1959 da Jacobs e Strong. I pazienti non presentano alcuna evidente dismorfia somatica prima della pubertà, età alla quale viene di solito posta la diagnosi sulla base di un quadro clinico comprendente atrofia bilaterale dei testicoli, azoospermia, e ginecomastia. La statura è quasi sempre superiore alla media e il ritardo mentale, quando presente, è lieve. Possono manifestarsi disordini psicotici e disadattamento sociale. La diagnosi di solito avviene proprio durante il periodo della pubertà, prima non è così tanto evidente. I soggetti affetti dalla sindrome possono essere soggetti a terapie con testosterone, che induce una muscolatura più tonica e interviene sulla ginecomastia. Le SINDROMI dovute a DELEZIONI DI REGIONI CROMOSOMICHE: La SINDROME DI WILLIAMS: delezione di parte del braccio lungo del cromosoma 7. La SINDROME DI PRADER-WILLI: mancanza del contributo paterno per la regione cromosomica La SINDROME DI ANGELMAN : mancanza del contributo materno per la regione cromosomica 15q11-q13. La SINDROME CRI-DU-CHAT o sindrome del pianto del gatto (delezione del braccio corto del cromosoma 5p): nella maggior parte dei casi i genitori del bambino affetto dalla sindrome posseggono un corredo cromosomico (cariotipo) normale: ciò significa che nelle cellule dell’embrione si è purtroppo verificata, per cause non riconoscibili, una mutazione a carico del cromosoma 5. In circa il 12% dei casi, invece, l’anomalia risulta trasmessa da uno dei due genitori, che può essere portatore di una traslocazione o di una inversione che sono in lui bilanciate interessa proprio questo cromosoma. Le caratteristiche cliniche somatiche della sindrome sono: - le dimensioni del cranio possono essere inferiori alla media (microcefalia), la fronte è sporgente; - la distanza fra gli occhi è maggiore rispetto alla norma (ipertelorismo) ed è associata ad una piega cutanea all’angolo interno di ogni orbita (epicanto); - la mandibola è di dimensioni ridotte con retrazione del mento (microretrognazia); - i lobi auricolari sono impiantati più in basso rispetto alla norma; - ritardo mentale. Possono riscontrarsi, inoltre: - la fusione di alcune dita delle mani e dei piedi (sindattilia), la lussazione congenita delle anche ed ernie inguinali; - più gravi sono le malformazioni cardiache e renali che possono associarsi e che talvolta portano a morte il bambino, per lo più nel primo anno di vita (la mortalità è di circa il 10% dei casi). La SINDROME DELL’X FRAGILE: la Sindrome dell’ X-Fragile (FraX) è la causa di ritardo mentale ereditario più frequente. Circa 1:1000 maschi nella popolazione generale sono affetti dalla sindrome. La frequenza della malattia è molto più elevata nei maschi, poiché le femmine hanno due cromosomi X (frequenza: 1/2000). Il nome “X-Fragile” deriva dal fatto che la mutazione del DNA provoca una modificazione della struttura del cromosoma X che visto al microscopio presenta una “strozzatura” nella regione terminale del cromosoma X (q27.3), dove è 43 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola situato il gene FMR1. La doppia elica del DNA non si interrompe, ma in quel punto è molto despiralizzata. Nel 1991 è stato identificato un gene, chiamato FMR1, situato sul cromosoma X in corrispondenza del sito fragile, la cui funzione è ancora oggi oggetto di studio per molti ricercatori. È noto però che nella maggior parte dei casi di FraX, l'alterazione responsabile della sindrome è l'espansione di una sequenza ripetuta di tre basi nucleotidiche (Citosina Guanina Guanina : tripletta CGG) a livello del gene FMR1. Tale sequenza è particolarmente instabile durante il passaggio da una generazione all’altra. Quando il numero di triplette CGG supera le 56 ripetizioni, la sequenza di DNA diventa instabile e nel passaggio alle generazioni successive si espande il numero di ripetizioni CGG. In particolare le persone che possiedono un numero di ripetizioni comprese tra 56 e 200 CGG (la tripletta CGG viene ripetuta 56 volte, tra le 56 e le 200 il soggetto è ancora ritenuto di controllo) vengono definite portatori sani della premutazione. In questo intervallo l’espansione CGG consente al gene FMR1 di funzionare ancora e quindi non provoca alcun sintomo clinico della malattia. Nelle persone affette il numero di ripetizioni CGG supera le 200 copie. L’espansione della tripletta CGG a cui si associa un’ulteriore modificazione del DNA, detta metilazione, provoca il mancato funzionamento del gene FMR1, e viene definita mutazione completa. Tanto più le triplette vengono ripetute, tanto più la sindrome è grave perché, tramite la metilazione, la proteina non viene più trascritta. I maschi con la mutazione completa presentano un ritardo mentale di grado variabile (da lieve a grave) e tratti fisici caratteristici, mentre solo la metà delle femmine con la mutazione completa presenta i sintomi della malattia. Il gene FMR1 ha una funzione che potrebbe essere definita “regolativa”, aiuta cioè altri geni ad organizzare la propria attività e questo avviene attraverso la produzione di una proteina, Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP), che ha appunto il compito di regolare gli altri geni. Attraverso le molteplici interazioni che FMRP contrae con proteine e RNA messaggeri, essa prende parte ad importanti processi neuronali, quali il trasporto dei messaggeri e la regolazione della formazione delle sinapsi. - La Sindrome dell’X Fragile colpisce molto più frequentemente i maschi rispetto alle femmine: infatti queste ultime possedendo 2 cromosomi X hanno anche una copia del gene che può funzionare correttamente. - Lo sviluppo mentale delle persone affette da FraX è molto vario. Alcune mostrano capacità cognitive quasi normali, altre un lieve ritardo mentale, altre ancora un ritardo mentale più grave. - Molte persone affette da FraX hanno tratti somatici tipici: viso stretto e allungato con fronte e mandibola prominenti, orecchie grandi, sporgenti e più basse della media e, nei maschi, ingrossamento dei testicoli (macrorchidismo). - Le persone affette da FraX possono presentare anche altri sintomi, come l'iperestensibilità delle articolazioni, il piede piatto, frequenti otiti e il prolasso della valvola mitrale (un'anomalia di una valvola cardiaca). - Presentano inoltre scarso tono muscolare e scarso senso dell’equilibrio. - Hanno difficoltà nel mantenere l'attenzione, iperattività e impulsività, difficoltà nell'apprendimento, disturbi del linguaggio, disagio a sostenere il contatto visivo, disagio a essere toccati. 44 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola l’AUTISMO È una malattie multifattoriali, ossia, malattie che dipendono da fattori ambientali e fattori genetici. “Disturbo autistico” è il termine tecnico con cui ci si riferisce all'autismo nel DSM V (Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders- Fifth Edition, manuale diagnostico dei disturbi psichiatrici dell’American Psychiatric Association). Il disturbo fa parte di una categoria più generale, i disordini generalizzati dello sviluppo (o disordini pervasivi dello sviluppo), e viene diagnosticato in base alla presenza di un certo numero di indicatori comportamentali presenti in specifiche aree dello sviluppo. La SINTOMATOLOGIA è multifattoriale e comprende: La comunicazione verbale e non verbale. il 50% dei soggetti autistici non è in grado di comunicare verbalmente. I soggetti che sono in grado di utilizzare il linguaggio si esprimono in molte occasioni in modo bizzarro; spesso ripetono parole, suoni o frasi sentite pronunciare; questo fenomeno prende il nome di ecolalia. L'ecolalia può essere immediata (ripetizione di parole o frasi subito dopo l'ascolto), oppure ecolalia differita (ripetizione a distanza di tempo di frasi o parole sentite in precedenza). Anche se le capacità imitative sono integre, queste persone spesso hanno notevoli difficoltà ad impiegare i nuovi apprendimenti in modo costruttivo in situazioni diverse da quelle che li hanno generati in prima istanza; si dice che manca la generalizzazione degli apprendimenti. L’interazione sociale: gli autistici mostrano - un'apparente carenza di interesse e di reciprocità relazionale con gli altri; - una tendenza all'isolamento e alla chiusura sociale; - un’apparente indifferenza emotiva agli stimoli o ipereccitabilità agli stessi; - una forte difficoltà ad instaurare un contatto visivo: il bambino che intorno ai due anni di età continui ad evitare lo sguardo degli altri mostra, secondo diversi studi, la possibilità di sviluppare l'autismo; - una difficoltà nell' iniziare una conversazione o a rispettarne i turni; - una difficoltà a rispondere alle domande e a partecipare alla vita o ai giochi di gruppo; - non è infrequente che bambini affetti da autismo vengano inizialmente sottoposti a controlli per verificare una sospetta sordità, dal momento che non mostrano apparenti reazioni, proprio come se avessero problemi uditivi, quando vengono chiamati per nome. L’immaginazione e il repertorio di interessi: di solito un limitato repertorio di comportamenti viene ripetuto in modo ossessivo dai soggetti autistici; si possono osservare posture e sequenze di movimenti stereotipati (per 🅴🆂: torcersi o mordersi le mani, sventolarle in aria, dondolarsi, compiere complessi movimenti del capo, ecc.) detti appunto stereotipie. Queste persone possono manifestare eccessivo interesse per oggetti o parti di essi, in particolare se hanno forme tondeggianti o possono ruotare (🅴🆂: palle ovali, biglie, trottole, eliche, ecc.). Talvolta la persona affetta da autismo tende ad astrarsi dalla realtà per isolarsi in un mondo virtuale, in cui si sente vivere a tutti gli effetti (🅴🆂: dialogando talora con personaggi inventati). Pur mantenendo in molti casi la consapevolezza del proprio fantasticare, è con fatica e solo con delle sollecitazioni esterne (🅴🆂: suoni improvvisi, appello di altre persone) che riesce ad essere in varia misura partecipe nella vita di gruppo. La resistenza ai cambiamenti: si riscontra una marcata resistenza al cambiamento che per alcuni può assumere le caratteristiche di un vero e proprio terrore fobico. Questo può accadere se viene allontanato dal proprio ambiente (🅴🆂: camera, studio, giardino ecc) o se nell'ambiente in cui vive si cambia inavvertitamente la collocazione di oggetti, del mobilio o comunque l'aspetto della stanza. Lo stesso può verificarsi se si lasciano in disordine oggetti (🅴🆂: sedie spostate, finestre aperte, giornali in disordine): la reazione spontanea della persona autistica sarà quella di riportare immediatamente le cose al loro ordine, e se impossibilitato a farlo manifestare comunque inquietudine. La persona può allora esplodere in crisi di pianto o di riso, o anche diventare autolesionista e aggressiva verso gli altri o verso gli oggetti. Altri soggetti, al contrario, mostrano un'eccessiva passività, aprassia motoria e ipotonia che sembra renderli impermeabili a qualsiasi stimolo. La gravità e la sintomatologia dell'autismo variano molto da individuo a individuo e tendono nella maggior parte dei casi a migliorare con l'età, in particolare se il ritardo mentale è lieve o assente, se è presente il linguaggio verbale, se un trattamento valido viene intrapreso in età precoce. L'autismo può essere associato ad altri disturbi, ma è bene dire che spesso maschera l'intelligenza di una persona, e che esistono gradi di autismo differenti tra 45 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola loro. Alcune persone autistiche possiedono per esempio una straordinaria capacità di calcolo matematico, sensibilità musicale, eccezionale memoria audio-visiva o altri talenti in misura del tutto fuori dell'ordinario, come realizzare ritratti o paesaggi molto fedeli su tela senza possedere nozioni di disegno o pittura. La gravità dei quadri e la sintomatologia dell'autismo variano molto da individuo a individuo e tendono nella maggior parte dei casi a migliorare con l'età, in particolare se il ritardo mentale è lieve o assente, se è presente il linguaggio verbale, se un trattamento valido viene intrapreso in età precoce. L'autismo può essere associato ad altri disturbi, ma è bene dire che spesso maschera l'intelligenza di una persona, e che esistono gradi di autismo differenti tra loro. Alcune persone autistiche possiedono per esempio una straordinaria capacità di calcolo matematico, sensibilità musicale, eccezionale memoria audio-visiva o altri talenti in misura del tutto fuori dell'ordinario, come realizzare ritratti o paesaggi molto fedeli su tela senza possedere nozioni di disegno o pittura. Non è stata individuata una causa scatenante specifica per l'autismo (eziopatologia), anche se molti e diversi sono i fattori osservati che possono contribuire allo sviluppo della sindrome, che comprende sia fattori ereditari e non ereditari. La prima teoria che cercava di spiegare il perché alcuni bambini sviluppassero l'autismo è di natura psicologica e ad oggi è stata quasi completamente abbandonata; la teoria della madre “frigorifero”. Secondo questa teoria, alcuni bambini sviluppano l’autismo perché la madre ha dei comportamenti che non dimostrano affettività al bambino. La sola e unica causa dell’autismo, sarebbe, secondo questa teoria, la madre che influenzerebbe in età infantile i comportamenti di isolamento del soggetto autistico. In sostituzione della prima teoria, ne sono state sviluppate altre che si basano su studi neuroscientifici e sugli studi ambientali. - Ipotesi basate sugli studi delle neuroscienze sui “neuroni mirror”, neuroni che stanno alla base dell’apprendimento per imitazione e dell’empatia. Nei soggetti affetti da autismo, il sistema specchio non funziona o funziona male e si definisce “specchio infranto”. - Ipotesi basate sugli studi immunologici: i vaccini. Gli studi che correlano l’autismo ai vaccini non hanno portato a conclusioni scientifiche chiare; comunque il problema potrebbe essere legato agli eccipienti che vengono aggiunti alle soluzioni vaccinali in quanto ricchi di metalli pesanti che alcuni soggetti non riescono a smaltire. - Ipotesi basate sull’accumulo di metalli pesanti: studi portati avanti su alcuni soggetti hanno dimostrato che a livello della cute è presente una maggiore concentrazione di metalli pesanti. Dato che questa concentrazione eccessiva è stata rilevata a livello della cute, si può pensare che la situazione sia analoga a livello dei neuroni. Sono state formulate anche molte IPOTESI GENETICHE che si basano su fattori genetici predisponenti. La storia della ricerca genetica nell’ambito dell’autismo ha un inizio relativamente recente. - Le prime osservazioni si basano su studi familiari e gemellari i quali però, almeno all’inizio, mancavano di uniformità nei criteri diagnostici. - Una maggiore accuratezza è stata raggiunta negli anni ’90 con lo sviluppo e la validazione di strumenti ed interviste diagnostiche quali la “Autism Diagnostic Interview”(ADI), (Lord, 1994) e la “Autism Diagnostic Observation Scale” (ADOS), (Lord, 1989). Autismo e familiarità: esaminando il modo in cui questo disturbo viene ereditato, si è osservato che l’autismo spesso colpisce intere famiglie anche se in modo non ancora chiaro. 🅴🆂: nel caso in cui un individuo affetto da autismo abbia dei figli, essi avranno dal 3 all’8 % di possibilità di presentare i sintomi della malattia, una probabilità significativamente maggiore al rischio dello 1 % presente nella popolazione generale, ma anche molto inferiore al 50 % che rappresenta la probabilità di sviluppare una malattia genetica causata da una singola mutazione dominante, in cui il gene difettoso ereditato da un genitore basta da solo a provocare la malattia, o del 25 % relativo a una mutazione recessiva, in cui sarebbe necessario ereditare una copia del gene difettoso da ciascun genitore. Autismo e genetica multifattoriale: i dati sulla prevalenza tendono ad escludere quindi che si possa trattare di una singola mutazione (dominante o recessiva) e concordano meglio con quei modelli che prevedono che alcune varianti di singoli geni contribuiscono al manifestarsi della malattia. L’autismo è un disturbo geneticamente eterogeneo con variazioni multiple e differenti all’interno della sequenza del DNA che possono contribuire ad una presentazione clinica (fenotipo comportamentale) sostanzialmente simile. Bisogna infatti considerare la presenza di variazioni in diversi geni o regioni di DNA (dette loci), che risultano in fenotipi clinici simili. 46 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola National Center for Biotechnology Information http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ PubMed: “genetics of autism”: A review of 1300 reports published in 2008 (John R. Hughes). Epilepsy and Behavior. ci sono 154 geni coinvolti nell’autismo. ci sono 334 nuovi geni che interagiscono attivamente con i 154 geni associati a questa patologia A review: “If genetic variation could talk: What genomic data may teach us about the importance of gene expression regulation in the genetics of autism” (Erika Yeh, Lauren A. Weiss) Molecular and Cellular Probes, 2016. Quasi tutti i cromosomi contengono geni o intere regioni cromosomiche coinvolte nell’autismo. In modo particolare i cromosomi: 2, 3, 5, 6, 7, 11, 15, 16, 22, X. Questi geni, che presentano alcune varianti alleliche, sono coinvolti soprattutto nell’attività dei neuroni La genetica da sola non è in grado di dare una spiegazione esaustiva della patologia autistica. Studi effettuati su coppie di gemelli (Rosenberg, 2009), confermano la componente ereditaria dell’autismo ma depongono a favore di un ruolo da parte dell’ambiente. 🅴🆂: se fossero coinvolti solo fattori genetici i gemelli monozigoti, possedendo lo stesso patrimonio genetico, dovrebbero avere il 100 per cento di probabilità di essere affetti dalla malattia. Invece quando un gemello è autistico, la probabilità di una diagnosi identica anche per l’altro gemello è solo del 60 per cento, mentre sale all’86 per cento se si considerano solo alcuni dei sintomi tipici dell’autismo. Simili percentuali indicano che devono intervenire altri fattori a modificare la predisposizione genetica alla malattia. 47 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola la SINDROME di ASPERGER Hans Asperger chiamò i suoi pazienti "piccoli professori", basandosi sull'idea che bambini o persone poco più che adolescenti potevano avere un bagaglio di conoscenze nei loro campi d'interesse pari, se non superiori, a quello dei professori universitari. Questo perché gli individui con Sindrome d'Asperger hanno un'intelligenza del tutto "normale", o in qualche caso addirittura superiore alla norma, a scapito però di una capacità d'interazione sociale nettamente inferiore e più problematica. La Sindrome di Asperger (abbreviata in SA, o AS in inglese) è considerata un disordine pervasivo dello sviluppo apparentata con l'autismo e comunemente considerata una forma dello spettro autistico "ad alto funzionamento". Il termine "Sindrome di Asperger" venne coniato dalla psichiatra inglese Torna Wing in una rivista medica del 1981; lo chiamò così da Hans Asperger, uno psichiatra e pediatra austriaco il cui lavoro non venne riconosciuto fino agli anni novanta. Generalmente si ritiene che si tratti di un tipologia autistica caratterizzata da difficoltà nelle relazioni sociali (mancano di empatia, viene somministrata ossitocina) piuttosto che da un'accentuata alterazione della percezione, rappresentazione e classificazione della realtà, come nell'autismo classico. Una certa percentuale di individui con Sindrome d'Asperger appaiono quasi "nella norma" nella loro capacità di leggere le espressioni facciali e le intenzioni degli altri. Spesso continuano a mostrare però difficoltà nel fissare negli occhi le altre persone, ritenendo il contatto visivo altamente ansiogeno (che procura cioè uno stato di tensione che va al di là delle proprie capacità di sopportazione), mentre altri viceversa possono mantenere l'incontro visivo in modo eccessivamente fisso (sembrano attraversare le persone senza davvero vederle), che può essere avvertito come "disturbante" per le persone comuni. Le persone affette da sindrome di Asperger hanno intelligenza e capacità linguistiche nella norma (a volte anche superiore), ma appaiono incapaci a comprendere gli stati emotivi altrui attraverso i diversi indizi derivanti dal linguaggio corporeo e dalle inflessioni della voce o dalla stessa situazione relazionale. Può accadere che esse osservino un sorriso senza riuscire a capirne il significato o magari interpretandolo come una semplice smorfia. La sindrome di Asperger si manifesta con una pronunciata tendenza alla distrazione, con gestualità fortemente ridotta, goffaggine nei movimenti, forte attaccamento alle abitudini, eccessiva attenzione ai particolari e comportamenti ripetitivi. La Sindrome d'Asperger implica, come suoi caratteri peculiari, un intenso livello d'attenzione su determinate cose che interessano ed è spesso caratterizzato da facoltà e "passioni" davvero particolari. 🅴🆂: una persona può essere ossessionata dalla lotta libera degli anni cinquanta, un'altra dagli inni nazionali delle dittature africane, un'altra dal fare modellini di costruzioni con i fiammiferi. Comuni sono gli interessi per i mezzi di trasporto (treni, auto) e i computer. Moltissimi degli interessi sono specificamente rivolti ad argomenti scientifici, specialistici che richiedono un dettagliato approfondimento. Generalmente attratti da attività in cui si possa ritrovare un certo ordine, una determinata logica, come per esempio le classificazioni, le date e simili. Quando questi particolari interessi coincidono con un obiettivo materiale e socialmente utile, il soggetto può portare avanti una vita di successo. 🅴🆂: il bambino con l'ossessione per l'architettura navale può crescere e diventare un ingegnere navale. Nello sforzo per soddisfare questi interessi, l'individuo con Sindrome d'Asperger spesso manifesta ragionamenti estremamente sofisticati, un'attenzione pressoché ossessiva rivolta ai dettagli delle cose o della comunicazione, una memoria focalizzata eminentemente sulle immagini visuali, detta “eidetica-visiva". Genetica della sindrome di Asperger: alcune delle variazioni riscontrate in geni associati all’autismo sono identificate anche nei pazienti con sindrome di Asperger. I maschi hanno una probabilità molto più elevata delle femmine d’essere affetti. Promoting social behavior with oxytocin in high-functioning autism spectrum disorders. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 48 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola Andari E, Duhamel JR, Zalla T, Herbrecht E, Leboyer M, Sirigu A. Social adaptation requires specific cognitive and emotional competences. Individuals with high-functioning autism or with Asperger syndrome cannot understand or engage in social situations despite preserved intellectual abilities. Recently, it has been suggested that oxytocin, a hormone known to promote mother-infant bonds, may be implicated in the social deficit of autism. We investigated the behavioral effects of oxytocin in 13 subjects with autism. In a simulated ball game where participants interacted with fictitious partners, we found that after oxytocin inhalation, patients exhibited stronger interactions with the most socially cooperative partner and reported enhanced feelings of trust and preference. Also, during free viewing of pictures of faces, oxytocin selectively increased patients' gazing time on the socially informative region of the face, namely the eyes. Thus, under oxytocin, patients respond more strongly to others and exhibit more appropriate social behavior and affect, suggesting a therapeutic potential of oxytocin through its action on a core dimension of autism. Effects of intranasal oxytocin on the neural basis of face processing in autism spectrum disorder. Biol Psychiatry. 2013 Domes G, Heinrichs M, Kumbier E, Grossmann A, Hauenstein K, Herpertz SC 49 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola la SINDROME di RETT La Sindrome di Rett, conosciuta anche “sindrome delle bambine dagli occhi belli”, è una malattia neurodegenerativa dell’evoluzione progressiva di cui esclusivamente le bambine, possono essere affette. Nei maschi il difetto genetico sarebbe letale. Il gene MECP2 si trova sul cromosoma X e sembra essere essenziale per la normale funzione delle cellule nervose. Un individuo di sesso femminile che manifesta la mutazione sul gene X, sopravvive manifestando la sindrome di Rett visto che l’altro gene X sano può provvedere alla normale funzione delle cellule nervose. Un individuo di sesso maschile che manifesta la mutazione sul gene X, non sopravvive perchè non può provvedere alla normale funzione delle cellule nervose. In realtà, sono 3 i geni implicati nella sindrome di Rett, quello più colpito è il gene MECP2 (90% dei casi), ma la variabilità di sintomatologia della sindrome deriva proprio dalle mutazioni sui diversi geni. Nel 1966 un medico viennese, Andreas Rett, osserva e descrive un comportamento insolito, tragico e affascinante insieme, in alcune sue piccole pazienti. Ci sono voluti più di trent'anni prima di scoprire le cause genetiche di questa malattia, principalmente perché la sindrome di Rett è una malattia rara e pochi sono i casi di familiarità. Nel 1999, il team di Huda Zoghbi dell'Università di Houston scoprì che la sindrome di Rett è associata a una mutazione del gene MeCP2, localizzato sul cromosoma X. A lungo confusa come un’atipica e del tutto anomala forma di autismo infantile, è stata diagnosticata più di vent’anni fa per la prima volta. La sindrome di Rett non può essere considerata come una forma di autismo, perché non è una malattia multifattoriale, bensì genetica. La Rett è oggi riconosciuta come la seconda causa di ritardo mentale nelle bambine, con un’incidenza stimata di circa 1/10.000 nate femmina. Gli stadi clinici della malattia: 1. tra i 6 e i 18 mesi; durata: mesi. Consiste nel rallentamento e stagnazione dello sviluppo psicomotorio fino a quel momento normale. Compare disattenzione verso l’ambiente circostante e verso il gioco. Sebbene le mani siano ancora usate in maniera funzionale, irrompono i primi sporadici stereotipi. Rallenta la crescita della circonferenza cranica. In questa fase, i sintomi sono talmente lievi e compaiono talmente gradualmente, che solitamente la sindrome non viene diagnosticata. 2. dai 18 mesi ai tre anni; durata: settimane, mesi. Consiste nella rapida regressione dello sviluppo, perdita delle capacità acquisite, irritabilità, insonnia, disturbo dell’andatura. Compaiono manifestazioni di tipo autistico, perdita del linguaggio espressivo e dell’uso funzionale delle mani accompagnata dai movimenti stereotipati, comportamenti autolesivi. La regressione può essere improvvisa o lenta e graduale. 3. stadio pseudo stazionaria; durata: mesi, anni. Dopo la fase di regressione, lo sviluppo si stabilizza. Diminuiscono gli aspetti di tipo autistico e viene recuperato il contatto emotivo con l’ambiente circostante. Scarsa coordinazione muscolare accompagnata da frequenti attacchi epilettici. 4. all’incirca dopo i 10 anni; durata: anni. Migliora il contatto emotivo. Gli attacchi epilettici sono più controllabili. La debolezza, l’atrofia, la spasticità e la scoliosi impediscono a molte ragazze di camminare, anche se non mancano le eccezioni. Spesso i piedi sono freddi, bluastri e gonfi a causa di problemi di trofismo. 5 varianti: 1. la variante a linguaggio conservato o di Zappella: è la variante meno grave; è caratterizzata da un decorso clinico più favorevole in cui le bambine recuperano la capacità di esprimersi con frasi brevi e, parzialmente, l’uso delle mani; 2. la variante con convulsioni ad esordio precoce: è una delle variante più gravi; dipende dalla variazione di uno degli altri due geni; caratterizzata da crisi convulsive che si manifestano prima del periodo di regressione; 3. la variante delle “forme fruste”: è una variante poco descritta e poco caratterizzata; i segni clinici caratteristici sono più sfumati; 4. la variante congenita in cui il ritardo psicomotorio è evidente sin dai primi mesi di vita; è una delle varianti più gravi; dipende dalla variazione di uno degli altri due geni; 5. la variante a regressione tardiva: di rarissima osservazione. 50 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola Il GENE MECP2: - si trova sul cromosoma X; - è un repressore della trascrizione genica; - codifica una proteina che condensa il DNA e lo rende inattivo: questa proteina si lega a specifiche sequenze metilate del DNA spegnendo l'espressione genica; - la proteina MeCP2 è espressa in modo predominante nei neuroni maturi; - modula le connessioni sinaptiche e quindi la comunicazione cellulare attraverso la regolazione di alcuni geni, tra cui il brain-derived neurotrophic factor (BDNF). - BDNF è necessario per la sopravvivenza, la crescita e la maturazione dei neuroni durante lo sviluppo, inoltre ha un ruolo importante nel rimodellamento dei dendriti e delle spine sinaptiche, le strutture neurali coinvolte nella modulazione della plasticità sinaptica; una eventuale mutazione del gene MeCP2 impedisce il legame della proteina ai geni metilati che rimangono così sempre accesi, privi di controllo. Nei soggetti di controllo, nell'embrione il livello di espressione di BDNF è massima, quando l'individuo è abbastanza maturo, il livello di espressione diminuisce. Nei soggetti affetti da sindrome di Rett, il livello di espressione di BDNF rimane alto e vengono a crearsi reti neuronali sbagliate che causano i sintomi della sindrome. Questo è il motivo per cui i disturbi appaiono tra i 6 e i 18 mesi. Nel caso del BDNF, questo provoca l'instaurarsi di connessioni nervose sbagliate. Nel 2005 è stato individuato ad opera di due gruppi di ricerca italiani un secondo gene appartenente al cromosoma X, CDKL5, responsabile di una variante della sindrome, caratterizzata da convulsioni ad esordio precoce (Scala, 2005, Mari, 2005). Nel 2008 il team di ricerca del dipartimento di biologia molecolare dell’università di Siena ha pubblicato uno studio in cui si annuncia l’identificazione di un terzo gene associato alla sindrome di Rett: FOXG1. Questo gene codifica per uno specifico inibitore della trascrizione, essenziale per lo sviluppo precoce dell’encefalo. 52 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola GENI e COMPORTAMENTO Esiste nel comportamento dell’uomo una componente genetica? La risposta a questo interrogativo è ancora oggetto di controversia. Alcuni studi sono stati condotti su gemelli identici. I gemelli omozigoti hanno in comune tutto il patrimonio genetico e quindi rappresentano la coppia di individui geneticamente più simili di cui è possibile disporre. Pertanto, le somiglianze esistenti fra gemelli identici che, come può a volte accadere, sono stati separati all’inizio della vita e sono cresciuti in famiglie diverse, sono da attribuire al patrimonio genetico più che all’ambiente in cui si trovano a vivere. ⇨ Correlazioni fra gemelli omozigoti cresciuti insieme (MZT) e in ambienti diversi (MZA): - I gemelli identici hanno in comune un considerevole numero di tratti comportamentali, quali i gusti e le preferenze relative ad interessi religiosi e vocazionali. - I gemelli identici possono differire invece significativamente in quanto ad interessi occupazionali e attitudini sociali non religiose. - Dai risultati di questi studi si evince che il comportamento dell’uomo, per alcuni suoi aspetti, ha una importante componente ereditaria, ma anche l’ambiente può influire significativamente sul comportamento. In primo luogo, sono state analizzate le impronte digitali che sono uniche e genetiche: per questo, entrambi i gemelli dovevano avere le stesse impronte. Questo viene detto controllo positivo. Poi, sono stati somministrati diversi questionari che indagavano diverse aree di comportamento: i gemelli hanno la stessa attitudine alla religione e hanno la stessa personalità, ma hanno diverse attitudini sociali e interessi occupazionali. A questo punto, si era scoperto che la religione ha cause genetiche e non spirituali, per chiarire i risultati è stato chiesto a rappresentanti di diverse religioni di “aggiustare” le domande dei questionari. Questa modifica non è mai avvenuta. I risultati di questi studi sono stati accettati solo da una parte dei ricercatori e sono tuttora motivo di un acceso dibattito. Le ricerche sui gemelli identici sembrano indicare che la componente genetica giochi un ruolo importante sul comportamento umano, ma non sono in grado di fornire informazioni su quanti e quali siano i geni implicati in quest’ambito. I geni non codificano direttamente un comportamento; o meglio, un singolo gene, solitamente non può codificare un comportamento. Il comportamento prende origine da circuiti nervosi che comportano la presenza di molti neuroni, ognuno dei quali esprime particolari geni che presiedono alla sintesi di particolari proteine. Per lo sviluppo di un circuito nervoso sono necessarie molte proteine diverse. Il fatto che siano implicati diversi geni non significa tuttavia che ogni singolo gene non sia essenziale per l’espressione di un comportamento. Sebbene la maggior parte dei tratti comportamentali siano poligenici, esempi di alterazioni di singoli geni in grado di influire sul comportamento sono stati documentati nell’uomo. Le mutazioni di singoli geni possono provocare deficit motori e cognitivi. Il MORBO di HUNTINGTON: nel 1872 un medico di New York (George Huntington) descrisse una malattia che aveva osservato in diversi pazienti: Questa malattia si presentava con quattro caratteristiche: 1. ereditarietà; 2. corea (movimenti rapidi, incessanti e a scatti dei muscoli); 3. demenza; 4. morte, dopo 15-20 anni dall’esordio (l’età d’esordio è intorno ai 40-50 anni). 53 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola Nella maggior parte dei pazienti insorge nella quarta o nella quinta decade di vita, cioè quando la maggior parte degli individui si sono già sposati e hanno avuto figli. Ciascun discendente di un genitore colpito dalla malattia ha il 50% di probabilità di ereditarla. Il morbo di Huntington è dovuto a mutazioni in un gene autosomico dominante localizzato sul cromosoma 4. L’incidenza della malattia è di 5 su 100.000 individui. I primi affetti da Corea di Huntington erano due colonizzatori inglesi che portarono la mutazione in America; la maggior parte delle donne bruciate come streghe a Salem erano affette proprio da questa malattia. Il gene responsabile della HD è stato identificato nel 1993, si trova sul cromosoma 4 ed è stato chiamato con una sigla: IT-15. Questo gene contiene le informazioni necessarie per la produzione di una proteina chiamata huntingtina. Le persone affette da HD presentano alterazioni nel gene dell’huntingtina, e per questo le loro cellule producono una forma anomala di questa proteina che si esprime soprattutto dopo il raggiungimento dell’età adulta. A partire dalla scoperta del gene, gli scienziati hanno focalizzato i loro studi sull'huntingtina mutata per comprendere i meccanismi attraverso cui essa porta alla degenerazione neuronale e allo sviluppo della malattia. Ciascun individuo possiede due copie del gene associato alla malattia di Huntington (chiamato IT-15). Nei malati una di queste copie presenta un’alterazione particolare, detta mutazione. Nel gene dell’huntingtina, oltre a numerose altre sequenze, è presente nel codone 1 una regione in cui una "tripletta" di 3 basi nucleotidiche (per la precisione CAG, la glutammina) si ripete un certo numero di volte. Il gene non-mutato dell'huntingtina contiene poche ripetizioni della tripletta, fino a un massimo di 35*, mentre nel gene mutato la tripletta CAG è ripetuta per un numero di volte molto più alto, a partire da 36-40 fino a più di un centinaio. In altre parole si tratta di una modificazione nella lunghezza di una particolare regione del gene. Questo allungamento (“espansione”) provoca delle modificazioni, ancora non chiare, nella conformazione e nell'attività dell’huntingtina che, presumibilmente, ne alterano la funzione. Nei malati di Corea di Huntington si trova quindi una copia del gene IT-15 normale e una copia del gene contenente l’espansione che si associa alla patologia. La lunghezza del tratto espanso può variare da paziente a paziente. Gli scienziati hanno scoperto che vi è un certo grado di correlazione tra il numero di triplette (ossia la lunghezza del tratto espanso) e l’età di insorgenza della malattia: maggiore è il numero di triplette nucleotidiche CAG presenti, più precoce sarà l’insorgenza della malattia. Questa correlazione inversa è tuttavia più valida per elevate espansioni, maggiori di 50 CAG. *In alcune persone il gene dell’huntingtina ha un numero di triplette intermedio (30-35 ripetizioni). Questa condizione genetica si chiama pre- mutazione. Le persone con la pre-mutazione non sviluppano la malattia, ma rischiano di trasmetterla ai figli. Questo perché durante la formazione dei gameti (spermatozoi e ovuli) si può verificare l’ulteriore espansione delle triplette (con un meccanismo ancora sconosciuto). I figli rischiano perciò di ritrovarsi con un numero maggiore di ripetizioni, sviluppando così la malattia. Si è osservato che l'espansione delle triplette è molto più probabile durante la produzione degli spermatozoi maturi in quanto più frequente. L'huntingtina mutata: si è dimostrato che la mutazione conferisce alla proteina una nuova funzione (perde la propria funzione), che è tossica per le cellule. In particolare, è noto che la mutazione provoca la formazione di aggregati intracellulari che si posizionano in diversi punti della cellula. Più recentemente, è stato anche scoperto che la proteina huntingtina sana è indispensabile per la vita dei neuroni. Lo sforzo dei ricercatori si è, quindi, concentrato anche sulla comprensione della funzione che la proteina sana svolge nell’organismo. Sembrerebbe che nei soggetti malati, gli aggregati di huntingtina mutata inglobano l’huntingtina sana generata dall’allele del gene. L’huntingtina sana funziona da proteina salva-vita in grado di proteggere le cellule del cervello. Si è quindi ipotizzato che la perdita della funzione protettiva dell’huntingtina sana contribuisca alla patologia. Queste scoperte aprono ad una nuova possibilità di intervento terapeutico. Infatti, accanto alle strategie che tentano di ridurre l’effetto tossico prodotto dalla proteina mutata, si potranno sviluppare nuovi percorsi mirati alla ricostruzione dell'attività della proteina sana. La normale funzione della huntingtina è la regolazione della trascrizione del Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), una proteina che appartiene, per così dire, alla famiglia del Nerve Growth Factor (il fattore di crescita neuronale, NGF) e che svolge un ruolo essenziale per la sopravvivenza dei neuroni in quella parte del cervello chiamata corpo striato dove è massima la devastazione in caso di Malattia di Huntington. 54 Dispensa: fondamenti neurobiologici e genetici- Sofia Iotti, Giulia Amendola Huntingtin Fibrils Poke Membranes. Cell, September 2017 Nel morbo di Huntington si verifica la perdita di neuroni del corpo striato (caudato + putamen). Si suppone che la corea sia causata dalla scomparsa di queste cellule nervose. L’alterazione delle funzioni cognitive e l’eventuale demenza sembrano dovute alla concomitante perdita di neuroni corticali (corteccia prefrontale dorsolaterale e la corteccia orbitofrontale laterale) o alla scomparsa della normale attività neuronale a livello di quelle parti dei nuclei della base che sono implicate in funzioni cognitive. Le forme patologiche complesse del comportamento umano vengono ritenute di