Genetica Medica PDF

Genoma Totalità aploide del DNA contenuto in una cellula. Contiene tutte le informazioni necessarie per il funzionamento, lo sviluppo e la riproduzione dell'organismo. E' una sorta di manuale di istruzioni. Il genoma nucleare diploide umano contiene circa 6,4 miliardi di paia di basi che, disposte i...

Genoma Totalità aploide del DNA contenuto in una cellula. Contiene tutte le informazioni necessarie per il funzionamento, lo sviluppo e la riproduzione dell'organismo. E' una sorta di manuale di istruzioni. Il genoma nucleare diploide umano contiene circa 6,4 miliardi di paia di basi che, disposte in fila una dietro l’altra, costituirebbe un filamento lungo circa 4 metri. In realtà è suddiviso in 46 filamenti separati e altamente condensati (nm), chiamati cromosomi Genetica branca della biologia/scienza che studia i geni, l'ereditarietà e la variabilità genetica negli organismi viventi, la trasmissione dei caratteri geneticamente determinati Il campo di studio si focalizza sulla comprensione dei meccanismi alla base della trasmissione dei geni da una generazione all’altra Studia la variazione dei geni che determinano le caratteristiche fisiche ereditarie dell’uomo e di ogni essere vivente Il CARATTERE = è qualsiasi caratteristica biologica di un organismo vivente determinata dall’informazione genetica (forma/colore dei piselli) Il FENOTIPO = è l’insieme dei caratteri visibili o comunque misurabili che l’individuo manifesta (piselli lisci, piselli rugosi oppure piselli gialli, piselli verdi) Genetica umana studia l’ereditarietà dei caratteri umani Esempi di caratteri geneticamente determinati: Colore degli occhi, Tipo di capelli, Forma del naso, Lentiggini, Peso, Altezza, Colore della pelle, QI Genetica medica studia le variazioni a livello del DNA che sono responsabili di fenotipi patologici, studio e diagnosi delle malattie genetiche, è orientata alla formulazione della corretta diagnosi clinica di una malattia genetica e alla consulenza genetica al fine di valutare l'eventuale rischio riproduttivo per il paziente e la sua famiglia Geniche ▪ MONOFATTORIALI (O MONOGENICHE O MENDELIANE) ▪ MITOCONDRIALI (non mendeliane) ▪ DA MUTAZIONI DINAMICHE (insorgenza tardiva, spesso sono malattie neuro-degenerative, dinamica dovutaall'espansione delle triplette) ▪ MULTIFATTORIALI (O POLIGENICHE (perché è l'effetto è dato da più varianti geniche O COMPLESSE perché è difficile capire la base della mutazione) (multifattoriali perché intervengono più fattori; schizofrenia, bipolarismo..) Cromosomiche ALTERAZIONI DEL NUMERO: aneuploidie, poliploidie ALTERAZIONI DELLA STRUTTURA: delezioni, traslocazioni inversioni (spostamento di materiale genetico tra due cromosomi), duplicazioni Malattie genetiche, ereditarie e congenite Le alterazioni del patrimonio genetico possono colpire la linea delle cellule somatiche, che costituiscono il corpo, o la linea delle cellule germinali, coinvolte nella produzione della cellula uovo o degli spermatozoi Nei casi in cui sia coinvolta la linea delle cellule germinali, tali malattie genetiche divengono ereditarie, cioè si trasmettono da uno o entrambi i genitori a una parte o alla totalità della prole Se è coinvolta la linea somatica possono insorgere malattie genetiche, che non saranno trasmesse alla prole, quindi non saranno ereditabili Malattia congenita malattia o disordine presente fin dalla nascita. Può essere causata da anomalie genetiche, di varia origine (malformazioni causate da agenti chimici e fisici), durante il processo di embriogenesi o nelle fasi finali del parto. Non è trasmessa necessariamente dai genitori alla prole Cromosomi omologhi = cromosomi delle cellule somatiche, sono a 2 a 2 simili tra di loro Infatti in ogni coppia di cromosomi omologhi (2 copie di uno stesso cromosoma e che contiene gli stessi geni) una copia è del papà (n) e una è della mamma (n) Figlio (diploide, 2n) Gene: unità funzionale del genoma, localizzata in una zona specifica di un cromosoma (locus) responsabile della trasmissione dei caratteri ereditari Allele: forma alternativa di uno stesso gene. In una popolazione uno stesso gene può avere numerosi alleli (es. tre (A B O) per gli antigeni eritrocitari). Un singolo individuo diploide non pu ò tuttavia avere più di 2 alleli al medesimo locus Locus: il luogo fisico di un cromosoma nel quale si trova un determinato gene, posizione di un gene all'interno di un cromosoma Omozigosi: presenza di due alleli identici al medesimo locus (AA), omozigote o geneticamente puro Eterozigosi: presenza di due alleli diversi al medesimo locus (AB), la coppia è formata da alleli diversi, eterozigote o misto Emizigote: un individuo che possiede una sola copia di un gene o di una sequenza di DNA (maschi sono emizigoti per il cromosoma X) Dominanza: prevalenza di un allele (A, dominante) sull’altro (0, recessivo) con conseguente fenotipo A Recessività: si dice recessivo un allele che esprime il proprio carattere (fenotipo 0) solo il condizioni di omozigosi (genotipo 00) Genotipo: costituzione genetica di un individuo a un determinato locus (AA o AB), insieme dei geni di un individuo, tutto quello che si trova nei cromosomi Fenotipo: carattere corrispondente a un determinato genotipo, tutto ciò che possiamo osservare di un individuo, come altezza, colore degli occhi I caratteri ereditari sono determinati dai geni Gene tratto di DNA che fornisce le istruzioni per formare una determinata proteina I geni contengono l’informazione per la sintesi delle proteine e determinano i caratteri ereditari Geni e alleli Ogni carattere ereditario è controllato da una coppia di geni (uno materno e uno paterno)  Le differenti caratteristiche che può assumere lo stesso gene si chiamano alleli Tutti gli individui possiedono una coppia di alleli per ogni carattere ereditario Impatto delle malattie genetiche nelle diverse fasce d’età Se diagnosticata in tempo si può agire sulla qualità di vita Mitosi processo di riproduzione asessuata degli organismi eucarioti grazie al quale da una singola cellula si formano 2 cellule figlie geneticamente identiche alla cellula madre. La mitosi riguarda le cellule somatiche e le cellule germinali ancora indifferenziate e forma 2 cellule figlie con lo stesso numero di cromosomi della cellula madre Meiosi Le cellule germinali diploidi danno origine a cellule germinali mature aploidi, dette GAMETI, mediante il processo di MEIOSI. La meiosi assicura che il corredo cromosomico non raddoppi a ogni generazione in seguito a fecondazione e genera variabilità genetica Stadi principali: è caratterizzata da 2 divisioni senza duplicazione di materiale genetico La MEIOSI I è detta riduzionale i 2 cromosomi omologhi, tra loro strettamente appaiati, vengono separati (segregano) nelle due cellule figlie La MEIOSI II è detta equazionale porta alla separazione dei cromatidi fratelli di ciascun omologo Profase I la cromatina si condensa, diventano visibili i cromosomi, e il fuso mitotico, scompaiono membrana nucleare e nucleoli. I cromosomi omologhi (ciascuno formato da 2 cromatidi fratelli) di ogni coppia si avvicinano e si appaiano, formando una struttura detta tetrade con 4 cromatidi. A questo punto può verificarsi il crossing over. Il crossing over avviene tra 2 cromatidi non fratelli di una coppia di cromosomi omologhi Conseguenze e significato della meiosi Lo scambio tra cromatidi (non fratelli) non comporta perdita o guadagno di materiale genetico, ma solo un riassortimento. Durante il crossing over si ha l’avvicinamento di 2 cromatidi e lo scambio di parti del cromatide stesso, con la formazione di una struttura detta chiasma. Il crossing over avviene sempre tra 2 cromatidi non fratelli di una coppia di cromosomi omologhi, ricombina i geni associati (che si trovano sullo stesso cromosoma) in un assortimento di alleli che non esisteva nei genitori. I cromatidi che hanno subito crossing over sono detti ricombinanti, quelli che sono rimasti inalterati sono detti parentali Il risultato della MEIOSI (I e II) è la formazione di 4 cellule figlie, ciascuna contenente un set aploide di cromosomi che non sono identici tra di loro 1) Riduzione a metà del numero cromosomico (2n n) Ogni gamete eredita una copia di ogni cromosoma 2) Rimescolamento del patrimonio ereditario mediante:  Assortimento casuale dei cromosomi omologhi alla I divisione meiotica (per 23 cromosomi n 2 23 combinazioni) Assortimento casuale dei cromatidi fratelli alla II divisione meiotica (Nuove combinazioni di cromosomi nei gameti) 3) Scambio tra cromatidi omologhi mediante crossing-over nuove combinazioni di geni nei cromosomi La funzione della meiosi non è quella di produrre tante cellule uguali a quella iniziale (mitosi), ma di aumentare la variabilità tra una cellula gametica e l’altra (oltre a ridurre il numero dei cromosomi). Quanti tipi di gameti mi devo aspettare da un individuo Nell’uomo che ha cellule con 23 coppie di cromosomi omologhi ci attendiamo 223 possibili combinazioni (8.4 x 106 8.388.608 combinazioni diverse) Corredo diploide 2n Dove n è il numero di cromosomi della specie che si sta studiando La meiosi prevede una sola duplicazione del DNA e due divisioni cellulari (divisione meiotica I e II). I gameti sono aploidi = corredo cromosomico n Mitosi Meiosi 1 divisione cellulare 2 divisioni cellulari Si formano 2 cellule Si formano 4 cellule Non si formano chiasmi, non avviene il crossing over Alla profase I si formano chiasmi e avviene il crossing-over Il n° di cromosomi è costante e uguale a quello della cellula di partenza Il n° di cromosomi si dimezza Produce cellule somatiche geneticamente identiche alla cellula madre Produce gameti geneticamente non identici alla cellula madre GAMETOGENESI Spermatogenesi Formazione dei gameti maschili da un singolo spermatocita (2n) si formano 4 spermatozoi maturi (n). Dura circa 60 gg L’organo riproduttivo primario maschile è rappresentato dal testicolo contenente numerosi tubuli seminiferi che producono gli spermatozoi e cellule di sostegno e interstiziali che secernono testosterone e altri ormoni sessuali La gonade maschile è costituita da un compartimento germinativo e da compartimento interstiziale. Nel compartimento germinativo avviene sia la spermatogenesi attraverso la meiosi sia la maturazione dei spermatidi in spermatozoi maturi, processo che viene chiamato spermiogenesi. Il compartimento germinativo presenta un gran numero di tubuli seminiferi, alla periferia dei quali si trovano le cellule del Sertoli associate a più cellule germinali (spermatogoni e spermatociti primari, secondari e spermatidi) e che hanno funzione di sostegno. Nel compartimento interstiziale si trovano le cosiddette cellule del Leydig destinate alla produzione di testosterone che regola la spermatogenesi Controllo ormonale della spermatogenesi: Controllo dell'asse ipotalamo-adenoipofisi-testicolo. La secrezione dell'ormone di rilascio delle gonadotropine GnRH da parte dell'ipotalamo stimola la produzione di gonadotropine ipofisarie responsabili del controllo ormonale della spermatogenesi: l'ormone follicolo stimolante FSH e l'ormone luteinizzante LH. Il sistema si autoregola poiché l'attività dell'ipotalamo e dell'ipofisi si riduce in presenza di elevate concentrazioni plasmatiche di testosterone e inibina(meccanismo di feedback) Ovogenesi Formazione dei gameti femminili da un singolo ovocita primario (2n) si formano 1 ovulo maturo (n) e tre globuli polari (n). L’ovocita femminile completa la profase I della meiosi al momento della nascita e si arresta in questa fase fino alla pubertà. Alla pubertà un ovocita alternativamente da ciascun ovaio progredisce, sotto l’azione ormonale, fino alla metafase II durante l’ovulazione. La meiosi II termina solo se l’ovocita viene fecondato. Dura per anni inizia già durante i primi mesi della vita fetale, gli ovogoni (cellule germinali primordiali) si dividono per mitosi raggiungendo, verso il V mese di vita intrauterina, il numero di 6-7 milioni. L’ovocita primario entra in meiosi e si arresterà nella profase I ancora prima della nascita e vi rimarrà fino alla maturità sessuale, quando la I divisione meiotica si completerà per induzione ormonale mentre la II divisione meiotica avverrà solo dopo la fecondazione. Alla nascita ci saranno circa 1-2 milioni di ovociti primari all’interno di follicoli primordiali. Dalla nascita fino alla pubertà questo numero subisce una diminuzione fino ad arrivare a circa 400.000. Durante la vita feconda della donna solo 500 saranno in grado di diventare ovociti fecondabili in un periodo che va dai 12-13 anni (menarca) ai 45-50 anni(menopausa). Confronto della durata della meiosi Spermatogenesi, spermatozoo maturo tempo totale, inizia alla pubertà = 64 gg Oogenesi, uovo-zigote maturo tempo totale, inizia durante l'embriogenesi = 12-50 anni Età materna e rischio di anomalie cromosomiche nel feto Il 95% delle trisomie 21 (2n+1) si verifica prevalentemente per una non-disgiunzione durante la I divisione meiotica dell’oocita Gli oociti primari sono prodotti durante lo sviluppo del feto prima della nascita, ma si arrestano in profase I fino al momento dell’ovulazione. Il nucleo dell’oocita prosegue la meiosi fino alla metafase II, che sarà completata solo dopo la fecondazione Man mano che una donna invecchia, aumenta l’intervallo di tempo in cui i suoi oociti primari sono rimasti in profase I e maggiore è la probabilità di una non-disgiunzione dei cromosomi Ciclo ovarico e ciclo uterino Gli ormoni che partecipano alla regolazione del ciclo mestruale sono 5: 1. GnRH, ormone di rilascio delle gonadotropine, secreto dall’ipotalamo 2. FSH, ormone follicolo-stimolante 3. LH, ormone luteinizzante 4. Estrogeni 5. Progesterone Gli ormoni prodotti dall’ipofisi (FSH e LH) e gli ormoni prodotti dall’ovaio (estrogeni e progesterone) hanno effetti antagonisti (controllo a feedback negativo). La prima fase del ciclo ovarico, (fase follicolare/estrogenica), è caratterizzata dalle modificazioni che portano alla maturazione del follicolo primario fino all’ovulazione. L’accrescimento del follicolo inizia con la produzione da parte dell’ipotalamo del GnRH che stimola la produzione di FSH ed LH. L’FSH induce il follicolo a secernere quantità progressivamente crescenti di estrogeni, che stimolano la proliferazione dell’endometrio che si ipertrofizza (fase proliferativa del ciclo uterino). Questa prima fase, precedente l’ovulazione, dura circa 14 giorni. Al 14° giorno si ha l’ovulazione nella quale gli alti livelli di LH e estrogeni inducono il follicolo di Graaf a scoppiare rilasciando l’ovocita secondario nelle tuba di Falloppio. L’LH stimola la formazione del corpo luteo e controlla la fase luteinica o progestinica. La fecondazione Unione della cellula uovo con uno dei tanti spermatozoi maschili, per formare una cellula, lo zigote, da cui si svilupperà un nuovo individuo. Poco dopo che uno spermatozoo è penetrato nella cellula uovo, i mitocondri, presenti nella testa della coda, e le fibre del flagello vengono distrutti e quindi le cellule dell'embrione e del nuovo organismo che si svilupperà possiedono solo mitocondri materni (trasmissione matrilineare per le malattie mitocondriali. Dopo aver superato la corona radiata, lo spermatozoo si trova a dove superare la zona pellucida, che è la parte più ostica da attraversare. Per fare questo interviene la reazione acrosomiale, ovvero il rilascio da parte dello spermatozoo di una serie di enzimi litici dall’acrosoma il cui rilascio permette allo spermatozoo di attraversare la zona pellucida, permettendogli di arrivare alla membrana citoplasmatica dell’ovocita. Superata la zona pellucida le membrane plasmatiche di spermatozoo e cellula uovo si fondono. La fusione delle due membrane cellulari stimola l’ovulo a completare la sua seconda divisione meiotica e innesca la ''reazione corticale'', che impedisce la fecondazione dell’ovulo da parte di altri spermatozoi (impedisce la polispermia). Dei milioni di spermatozoi iniziali, solo uno riuscirà a compiere la fecondazione. L’unione dei nuclei origina una nuova cellula zigote, con assetto cromosomico diploide (2n). Lo zigote andrà incontro a una lunga serie di divisione mitotiche già nel suo percorso di avvicinamento verso l’utero, nel quale si annida dopo circa 7 giorni. Fasi successive al processo di fecondazione Lo zigote una volta formatosi va incontro a una serie di divisioni mitotiche (segmentazione) che portano il numero delle sue cellule da 2 fino a 8 (blastomeri)  I blastomeri iniziano a sviluppare strutture di adesione e formano una massa cellulare più compatta. Queste cellule sono cellule staminali totipotenti, sono in grado di dare origine a tutti i tipi di cellule presenti nell'organismo adulto e anche alle cellule di tutte le strutture extraembrionali o "annessi embrionali" (corion, placenta, amnios, sacco vitellino e cordone ombelicale) Zigote → Blastomeri (8 cellule) → Morula (16 cellule) → Blastocisti 3 giorni dalla fecondazione 4° giorno Il ciclo ovulatorio si interrompe in caso di gravidanza. Il corpo luteo degenera e le mestruazioni non si verificano. La parete dell'utero si ispessisce sempre più, permettendo lo sviluppo dell'embrione al suo interno. La segmentazione è la prima serie di divisioni mitotiche che converte lo zigote in un embrione multicellulare. Dopo 10 giorni la fecondazione dal trofoblasto si sviluppa il corion che inizia a secernere l'ormone gonadotropina corionica umana che mantiene in vita il corpo luteo nell’ovaio che continuando a produrre progesterone e estrogeni, interrompe il ciclo mestruale e impedisce l’ovogenesi successiva Dopo 25 giorni inizia ad instaurarsi uno stretto rapporto tra l’embrione e i vasi sanguini materni, inizia a formarsi il sacco vitellino e la cavità amniotica, e alcune cellule specializzate del corion iniziano a formare la placenta Dopo 45 giorni l’embrione e le membrane che lo circondano hanno una dimensione di 3 cm circa, l’amnios si riempie di liquido amniotico, che serve a protezione dell’embrione. Il sacco vitellino viene incorporato nel cordone ombelicale e la circolazione sanguigna si instaura tra il cordone ombelicale e la placenta. I gemelli monozigoti sono geneticamente identici perché derivano da un singolo ovocita fecondato da un unico spermatozoo. I gemelli monozigoti possono sviluppare due placente distinte e trovarsi in due cavità amniotiche diverse o possono condividere la stessa placenta e trovarsi in due cavità amniotiche distinte oppure condividere la stessa cavità amniotica. I gemelli dizigoti (geneticamente diversi) originano da due ovociti fecondati indipendentemente (due zigoti) e si ritrovano sempre in due cavita amniotiche diverse e in due placente separate (diamniotici/diplacentari). Il cariotipo patologico (mutazioni cromosomiche) [Cromosomi] Si definisce cariotipo il numero e l’accurata descrizione morfologica dei cromosomi, indica sia il corredo cromosomico di un individuo sia l’immagine dei cromosomi stessi(cariogramma). Appaiono come corpi compatti solo nelle cellule in divisione, in particolare durante la metafase della mitosi, quando possono essere identificati per: dimensione, posizione del centromero, bandeggio. Il cromosoma mitotico ha 2 cromatidi. Ciascun cromatidio contiene la stessa molecola di DNA duplicata durante la replicazione del DNA Analisi del cariotipo: IL CARIOTIPO UMANO--> Diploide di 23 paia di cromosomi ✓ 22 coppie di autosomi. Numerati dal più grande, 1, al più piccolo, 22 ✓ 1 coppia di cromosomi sessuali: X e Y Cariotipo di un maschio 46, XY - femmina 46, XX Il bandeggio cromosomico Per la preparazione dei cariotipi, i cromosomi metafasici vengono sottoposti a procedure di colorazione. Nella preparazione del cariotipo il contenuto cromosomico di una cellula viene ordinato per coppie di cromosomi, a seconda delle dimensioni e della posizione del centromero di ogni singolo cromosoma e alla sequenza di bande. I cromosomi sessuali X e Y e la determinazione del sesso È la presenza del gene SRY (Sex-determining Region), localizzato sotto la regione pseudoautosomica che codifica per la proteina TDF (TestisDetermining Factor), che legandosi al DNA agisce come fattore trascrizionale innescando l’attivazione di geni che portano allo sviluppo della gonade maschile SRY ha un singolo esone e molti siti inizio trascrizione: Famiglia geni SOX (= SRY - box related genes) Funzione fattore di trascrizione → codifica per una proteina di 223 aminoacidi che contiene un dominio HMG (dominio legame DNA) Differenze: X ha più di 1000 geni - Y ha 330 geni, molti inattivi Traslocazioni di parte del cromosoma Y contenente il gene SRY al cromosoma X causa la sindrome Sindrome del maschio XX (rara condizione genetica in cui un individuo con genotipo femminile ha caratteristiche fenotipicamente maschili. È causata da un crossing over diseguale tra il cromosoma X e quello Y nella gametogenesi maschile, e risulta nella presenza del gene SRY nel cromosoma X invece che nell'Y) Compensazione del dosaggio genico Nel cromosoma Y sono presenti prevalentemente geni coinvolti nello sviluppo del sesso maschile, nel cromosoma X vi sono geni necessari per il metabolismo cellulare basale. Geni X-linked hanno livelli di espressione simile nei maschi e nelle femmine È necessaria una compensazione della dose genica tra i due generi → disattivazione casuale di un cromosoma X nelle femmine La quantità di prodotto genico di geni del cromosoma X è uguale in maschi e femmine, nonostante i maschi abbiamo una sola copia del gene Queste due osservazioni trovano una spiegazione immediata se ipotizziamo che nelle cellule somatiche venga mantenuto attivo un solo cromosoma X. Nelle femmine ci sono due copie del cromosoma X e due copie di ogni autosoma, perciò i geni sui cromosomi X e sugli autosomi sono «in equilibrio». Nei maschi, c’è un solo cromosoma X, mentre ci sono due copie di ogni autosoma. Poiché la quantità di proteina prodotta è spesso funzione del numero di copie del gene che codifica per la proteina, nei maschi è probabile che ci siano meno proteine codificate da geni legati all’X rispetto a quelle codificate da geni autosomici Inattivazione del cromosoma X Ipotesi di Lyon (o lyonizzazione) Le cellule femminili non producono il doppio delle proteine codificate dai geni presenti sul chr X. Un solo chr X è geneticamente attivo. Il secondo chr X è inattivo e forma il Corpo di Barr che può essere indifferentemente sia di origine materna che paterna L’inattivazione di uno dei chr X avviene nello sviluppo embrionale, poco dopo che è determinato il sesso dell’embrione L’inattivazione casuale di un chr X femminile è un esempio di compensazione del dosaggio che garantisce un ugual espressione dei cromosomi sessuali Corpo di Barr (dallo scienziato Murray Barr) è il cromosoma sessuale X in forma molto più compatta e spiralizzata: modificazioni conformazionali della cromatina portano alla costituzione di eterocromatina altamente condensata e trascrizionalmente inattiva. Il n° di corpi di Barr è correlato al numero di cromosomi X (1960) (fa in modo che un solo chr X sia attivo) e si forma a partire da uno dei 2 cromosomi X XIST (X Inactivating Specific Transcript) Inattivazione di uno dei cromosomi X nelle femmine dei mammiferi: possibile meccanismo di regolazione. Il gene XIST viene attivamente trascritto, si produce un RNA che ha il compito di coprire la quasi totalità del cromosoma e, con un meccanismo non ancora chiarito, induce deacetilazionee/o metilazione degli istoni Cariotipo Patologico Anomalie cromosomiche Sono mutazioni che interessano il DNA genomico e possono riguardare: Perdita o acquisizione di interi corredi cromosomici, di un singolo cromosoma, di più cromosomi diversi o di segmenti cromosomici Riarrangiamenti (spostamenti) di materiale genetico con o senza perdita di materiale stesso, traslocazioni cromosomiche Possono interessare: tutte le cellule dell’organismo (anomalie costitutive) oppure un piccolo gruppo di cellule o tessuti (anomalie somatiche o acquisite) Anomalie (aberrazioni) cromosomiche possono riguardare il n° dei chr o la loro struttura Ogni assetto cromosomico corrispondente esattamente a un multiplo dell’assetto aploide n di una specie è definito euploide EUPLOIDIA variazione nel n° di corredi cromosomici (costituzionale solitamente non è compatibile con lo sviluppo embrionale ed è riscontrabile negli aborti spontanei, somatica è osservata in cellule tumorali) Monoploidia (n) 23,X Triploidia (3n) 69,XXX o 69,XXY o 69,XYY 15-20% degli aborti spontanei Tetraploidia (autotetraploidia, allotetraploidia) (4n) Poliploidia (>4n) ANEUPLOIDIE Variazione nel n° dei cromosomi Nullisomia (2n-2) letale prima dell'impianto  Monosomia (2n-1) 45,X o 45,XX-21 perdita di un cromosoma. Letale allo stadio embrionale Monosomia de cromosomi sessuali: 45,X Sindrome di Turner 45,Y incompatibile con la vita Trisomia (2n+1) 47,XX+21 acquisizione di un cromosoma soprannumerario. Il 50% degli aborti spontanei dovuti ad una trisomia. Normalmente letale allo stadio embrionale o fetale fatta eccezione per: Le trisomie del chr13 (S. Patau) e chr18 (S. Edwards) che arrivano a fine gravidanza La trisomia del 21 (S. di Down) compatibile con la vita Trisomia dei cromosomi sessuali: (47,XXX, XXY, XYY) condizioni di vita pressoché normali Trisomia doppia (2n+1+1) Tetrasomia (2n+2) Cause principali 92% non disgiunzione meiotica dei cromosomi: Trisomia libera o primaria. La non-disgiunzione è avvenuta alla meiosi materna nel 95% 5% traslocazione robertsoniana: Trisomia 21 secondaria. Fusione a livello centromerico di 2 cromosomi acrocentrici (chr14 e chr21) 3% non-disgiunzione mitotica solo in alcune cellule dello zigote: Mosaicismo Sindrome di Edwards trisomia 18 ▪ Frequenza: 1/4.000. Oltre il 95% dei feti affetti muore in utero ▪ Ritardo di crescita, ritardo mentale, malformazioni multiple, mascella di dimensioni inferiori alla norma, occipite prominente, severa cardiopatia, anomalie renali.. ▪ Il 90% dei bambini muore nel primo anno di vita a causa delle complicazioni cardiache renali o neurologiche o delle infezioni ricorrenti Cause principali il genotipo è variabile: nel 80% dei casi è dovuta ad una trisomia libera, causata da non-disgiunzione meiotica per lo più materna nel 10-15% è presente un mosaicismo, dovuto a nondisgiunzione post-zigotica il rimanente 5-10% dei casi è dovuto ad una traslocazione reciproca (es. chr18 e chr4) La trisomia 18 a mosaico è stata osservata in alcuni pazienti che presentano un quadro clinico che varia dalla forma classica di trisomia 18 a fenotipo normale, in rapporto al numero delle cellule trisomiche presenti nei tessuti Sindrome di Patau trisomia 13 ▪ Frequenza: 1/10.000. Oltre il 95% dei feti affetti muore in utero ▪ Ritardo di crescita, malformazioni multiple ▪ Difetti cranio-facciali (labioschisi e palatoschisi), polidattilia, cardiopatie ▪ Grave ritardo mentale (malformazione del cervello) Metà degli individui affetti muore entro il primo mese di vita, la sopravvivenza media è di 6 mesi. Cause principali il genotipo è variabile: la trisomia libera riguarda circa il 75% dei casi Nel 15-20% dei casi, la trisomia 13 si associa alla traslocazione Robertsoniana nella quale il cromosoma soprannumerario 13 è attaccato a un altro cromosoma acrocentrico (chr 13, 14, 15, 21 o 22) In circa il 5-10% dei casi la trisomia 13 si presenta a mosaico ed il quadro clinico può variare da fenotipo lieve a quello della trisomia 13 classica, in rapporto al numero delle cellule trisomiche presenti nei tessuti ANEUPLOIDIE A CARICO DEI CROMOSOMI SESSUALI SINDROME DI TURNER: 45,X SINDROME DELLA TRIPLA X: 47,XXX SINDROME DI KLINEFELTER: 47,XXY SINDROME DI JACOBS: 47,XYY Più comune di aneuploidie autosomiche Monosomia chr X compatibile con la vita, la monosomia autosomica invece è letale (Monosomia Chr Y è invece letale) Sindrome di Turner cariotipo 45 X ▪ Frequenza 1/5.000-10.000 nati ▪ Il 95-99% degli embrioni con cariotipo 45,X muore prima della nascita Segni e sintomi più comuni Collo corto, attaccatura delle orecchie bassa, bassa attaccatura dei capelli nella parte posteriore del collo, bassa statura e mani e piedi gonfi (linfedema). In genere le donne con la sindrome non hanno il ciclo mestruale, non sviluppano il seno, NON sono in grado di avere figli. Frequentemente si verificano difetti cardiaci anche severi La maggior parte delle persone affette dalla condizione hanno un quoziente di intelligenza normale Cause principali il genotipo è variabile: 50% cariotipo 45,X Monosomia pura La variante 45,X può derivare sia dalla perdita durante la gametogenesi (non-disgiunzione meiotica, ritardo all’anafase paterna), sia da un errore mitotico Il 95-99% degli embrioni 45,X muore prima della nascita. Si ritiene che gli zigoti che riescono a sopravvivere siano quelli con mosaicismo 45,X/46,XX o 45,X/47,XXX fenotipi variabili 50% Anomalia strutturale di un chr X (chr X con delezione parziale del braccio corto 46,X,del (Xp) o lungo 46,X,del(Xq), cromosoma ad anello Sindrome di Klinefelter cariotipo 47 XXY ▪ Incidenza alla nascita 1/1000 ▪ Maschi con ridotto sviluppo sessuale (ipogonadismo) e scarsa/assente fertilità ▪ 40% è presente ginecomastia (anomalo sviluppo delle dimensioni delle mammelle) ▪ Terapia ormonale con testosterone in adolescenza per migliorare le caratteristiche sessuali secondarie ▪ Spesso vi è QI ridotto Cause principali O Il chr X sovrannumerario è generalmente dovuto ad una non-disgiunzione meiotica della gametogenesi femminile o maschile o da non-disgiunzione post- zigotica O Maschi con sindrome di Klinefelter mostrano un corpo di Barr, altrimenti assente nei maschi O La non disgiunzione materna è presente nel 65% dei casi, la paterna in circa il 35%, errori mitotici post-zigotici nel 5% circa dei casi O Circa l'80% dei soggetti con Klinefelter possiede un cariotipo 47,XXY. Nel 20% si riscontrano mosaici 47,XXY/46,XY Sindrome di Jacobs cariotipo 47 XYY ▪ Incidenza di 1/1000 nati, si stima che solo il 15-20% dei bambini con 47,XYY ricevono una diagnosi ▪ Altezza superiore alla norma, lieve ritardo nello sviluppo psicomotorio, difficoltà di apprendimento, fertilità ridotta in rarissimi casi disturbi della personalità Sindrome di Tripla X cariotipo 47 XXX ▪ Incidenza 1 su 2.000 bambine nate. Il rischio aumenta con l’età della donna ▪ A 37 anni, il rischio di una bambina nata con la sindrome è 1 su 1250 e continua ad aumentare con l’avanzare della maternità (non-disgiunzione meiotica materna) ▪ Le donne non presentano anomalie e sono fertili ▪ Nella grande maggioranza la condizione non viene mai diagnosticata ▪ Sono generalmente più alte e presentano un normale livello cognitivo, anche se con una probabilità maggiore di problemi di linguaggio che possono causare ritardi nelle abilità sociali e nell’apprendimento nell’infanzia Anomalie strutturali Bilanciate Cambiamenti nella disposizione dei geni, senza variazioni nella quantità di materiale genetico (inversioni e traslocazioni reciproche e senza variazioni fenotipiche) Sbilanciate Rottura cromosomica con perdita e/o acquisto di materiale genetico, geni interi o frammenti genici (come delezioni e duplicazioni), in cui cambia il «dosaggio» genico di un segmento cromosomico (quantità di un gene nel genoma) con alterazioni a livello fenotipico ✓ De novo è insorta per la prima volta nel soggetto ✓ Familiari trasmessa da un genitore Anomalie strutturali dei cromosomi sono il risultato di rotture ed eventuali ricongiungimenti di frammenti cromosomici A carico di un singolo cromosoma: Delezioni (anomalia quantitativa, variazione del numero) Duplicazioni (anomalia quantitativa) Inversioni (anomalia qualitativa) Traslocazioni intracromosomiche (anomalia qualitativa) Cromosoma ad anello A carico di 2 o più cromosomi: - Traslocazioni intercromosomiche (anomalia qualitativa) - Duplicazioni e Delezioni Cause Errori nel meccanismo con cui avvengono i crossing-over, per cui le due rotture sui cromosomi omologhi non avvengono nello stesso punto Conseguenze Duplicazioni: -Possono portare a fenotipo patologico -Uno dei meccanismi con cui si sono evoluti gli animali (es. catene della globina) Conseguenze Delezioni: comportano allo stato omozigote la perdita completa della capacità di codificare per uno o più proteine Esempi di malattie da duplicazione o delezione: Sindromi da del e dup Ritardo mentale, malformazioni cranio-facciali, coinvolgimento multi-sistemico variabile da lieve a severo Sindrome di Cri-du-chat Delezione del braccio corto del chr 5 O Frequenza 1 su 100.000 O Ritardo mentale, dismorfismi facciali anomalie delle strutture laringee (pianto simile a miagolio del gatto) Sindrome di Turner 50% dei casi: anomalia strutturale di un chr X (chr X con delezione parziale del braccio corto 46,X,del(Xp11) Inversioni - modificano l’ordine dei geni sul cromosoma, ma se la rottura non interessa alcun gene, l’inversione solitamente non avrà alcun effetto fenotipico EFFETTO DI POSIZIONE- Pur non essendo cambiamenti quantitativi, il fatto che alcuni geni possano cambiare di posizione può portare a variazioni nel fenotipo Durante la meiosi si possono produrre gameti sbilanciati Traslocazioni Non reciproca = in quanto un altro segmento cromosomico non sostituisce quello traslocato Reciproca = si può verificare quando si verifica il crossing-over tra 2cromosomi non omologhi. Questo tipo di traslocazione è detta bilanciata in quanto il materiale genetico viene riarrangiato senza cambiamenti nella sua quantità. es: traslocazione reciproca tra chr 9 e 22 provoca leucemia mieloide cronica Traslocazione robertsoniana 2 cromosomi acrocentrici si fondono all’altezza dei centromeri, i bracci corti privati del centromero sono eliminati  L’individuo portatore è aneuploide = risulta avere 45 cromosomi ma (in quanto i bracci corti dei chr acrocentrici contengono solo geni ripetuti per l’rRNA, presenti anche su altri chr acrocentrici) è fenotipicamente normale RISCHIO RIPRODUTTIVO : produce 6 possibili gameti 3 daranno zigoti non vitali 1 un individuo con Sindrome di Down 1 portatore di traslocazione 1 normale trisomia secondaria, non originata da un evento di non-disgiunzione, ma dovuta a una situazione preesistente in un genitore Traslocazione reciproca La segregazione può essere di 3 tipi, a seconda della segregazione dei centromeri: Segregazione alternata: in cui i centromeri migrano allo stesso polo (N1 e N2; T1 e T2). Una cellula figlia riceve due cromosomi normali e l’altra due cromosomi traslocati. I 4 gameti prodotti dopo la II divisione meiotica, 2 normali e 2 con traslocazione reciproca bilanciata, sono in genere vitali Segregazione adiacente 1: in cui i centromeri adiacente di cromosomi non omologhi migrano allo stesso polo (N1 e T2; N2 e T1). In questo caso una cellula figlia riceve un cromosoma normale e uno traslocato. I 4 gameti prodotti sono tutti sbilanciati, con delezioni e duplicazioni generalmente non vitali Segregazione adiacente 2: in cui i centromeri adiacenti di cromosomi omologhi migrano allo stesso polo (N1 e T1; N2 e T2). In questa situazione la cellula figlia riceve entrambe le copie del centromero dello stesso cromosoma omologo (normale e traslocato) ed i gameti sono tutti sbilanciati, con delezioni e duplicazioni di regioni cromosomiche e non sono mai vitali Diagnosi prenatale DP Insieme di indagini strumentali e di laboratorio finalizzate: al monitoraggio del benessere fetale all’individuazione di definite patologie genetiche e anomalie cromosomiche prima della nascita si esegue di norma nel primo o secondo trimestre di gestazione Quando è opportuno eseguire una diagnosi prenatale? o Età materna avanzata: > 35 anni (trisomia 21: 1 su 1.170 nati) o Malattie mendeliane (presente in un membro della famiglia) o Anamnesi familiare positiva per patologia cromosomica (non necessaria se entrambi i genitori sono normali) o Genitori portatori di anomalie bilanciate (rischio 5- 10%) Principi che devono guidare la diagnosi prenatale Gravità della malattia di cui si esegue la diagnosi Assenza di un efficace trattamento terapeutico Consapevolezza di un eventuale interruzione di gravidanza Disponibilità di un test prenatale accurato Presenza di un rischio riproduttivo definito ed elevato per la gravidanza TECNICHE DI DIAGNOSI PRENATALE Tecniche non invasive Tecniche invasive Ecografia (valutazione translucenza nucale) Amniocentesi Test sierologici su sangue materno (tri- e bi-test) Villocentesi Cellule fetali nel sangue materno Funicolocentesi (prelievo di sangue fetale) /cordocentesi Fetoscopia Queste tecniche di indagine consentono di effettuare quasi esclusivamente Tecniche di analisi: indagine molecolare o tecniche citogenetiche una valutazione probabilistica, cioè, non permettono di identificare o di escludere direttamente le anomalie cromosomiche ma di selezionare pazienti a basso e ad alto rischio TECNICHE NON INVASIVE PER LA DIAGNOSI PRENATALE Ecografia Consente di avere un’immagine dell’interno dell’utero e del feto. Si esegue di norma intorno alla 16-18° settimana, ripetibile e consente di : Valutare la localizzazione della gravidanza Stimare l’età gestazionale con precisione Identificare la presenza di gemelli  Valutare lo stato della placenta Valutare la crescita embrio-fetale Determinare il sesso del feto (predetto a partire dalla 16° settimana) Identificare la presenza di malformazioni morfologiche (anomalie scheletriche, cardiopatie, agenesie degli organi) Translucenza nucale Si esegue tra la 10ma e la 14ma settimana di gravidanza Consiste nella misurazione in ecografia dell’area compresa tra i muscoli della colonna cervico-toracica e la cute fetale L’aumento di spessore di questo spazio è dovuto ad incremento transitorio del liquido contenuto all’interno dei tessuti molli retronucali. Questo accumulo di liquido è evidenziato ecograficamente come una piccola area translucida presente nella porzione posteriore del collo Correla con anomalie cromosomiche, cardiopatie È possibile eseguire successivamente l’amniocentesi Può indicare uno spessore > 3 mm della regione retronucale, si associa nel 75% dei casi ad un cariotipo anomalo (es. trisomia 21) Test predittivi biochimici: Bi-test Consiste nel dosaggio di 2 ormoni circolanti nel sangue materno durante la gravidanza ✓PAPP-A (plasma proteina A associata alla gravidanza) ✓βHCG (subunità beta della gonadotropina corionica) Si effettua alla 10° settimana di gestazione è valutata la probabilità di un aumentato rischio di S. Down o difetti del tubo neurale rispetto ad un valore di riferimento (cut-off, soglia) Abbinata alla translucenza nucale ha una detection rate del 90% Test predittivi biochimici: Tri-test Consiste nel dosaggio di 3 ormoni circolanti nel sangue materno ✓alfafetoproteina (αFP) ✓estriolo-non-coniugato (uE3) ✓gonadotropina corionica (hCG) Si effettua tra la 16° e la 18° settimana di gravidanza  Viene valutata la probabilità di un aumentato rischio di sindrome di Down o di difetti del tubo neurale rispetto ad un valore di riferimento La combinazione di valori dei tre analiti, associata all’età materna, fornisce il rischio di trisomia 21 fetale con una detection rate di circa il 60% Test di screening valutano un aumento del rischio rispetto ad un valore scelto come soglia (cut-off) TECNICHE INVASIVE PER LA DIAGNOSI PRENATALE “Insieme delle procedure diagnostiche idonee a prelevare tessuti embriofetali o annessiali per la diagnosi prenatale di difetti congeniti (cromosomopatie, malattie genetiche con difetto noto) per la ricerca di agenti infettivi o per la valutazione di parametri ematologici fetali in alcune patologie della gravidanza” Villocentesi Esecuzione: 11-12 settimana di gravidanza Prelievo trans-addominale o trans-cervicale, sotto guida ecografica, di frammenti di villi coriali (tessuto trofoblastico) Rischio della procedura: 1-2% Diagnosi precoce I trimestre di aneuploidie cromosomiche Indicazioni Età materna > 35 anni Precedente figlio con anomalia cromosomica Alterazioni cromosomiche nei genitori Precedente feto plurimalformato Sospetta malformazione ecografica Amniocentesi - 15-18 settimana di gravidanza - Prelievo trans-addominale, sotto guida ecografica, di 15-20 ml di liquido amniotico - Dosaggio anche di AFP e altri marcatori biochimici - Rischio di procedura 0,5-1% Indicazioni Età materna > 35 anni Presenza di anomalie cromosomiche o genetiche note nei genitori Precedente figlio con anomalia cromosomica Riscontro ecografico di anomalie morfostrutturali Test di screening per aneuploidie positivi Malattie infettive in gravidanza Funicolocentesi/cordocentesi - 18-20 settimana di gravidanza - Prelievo trans-addominale, sotto guida ecografica, di 1-5 ml di sangue fetale tramite puntura del cordone ombelicale - Non è una tecnica di primo approccio, viene utilizzata per aggiungere ulteriori elementi a villo o amniocentesi (mosaicismi) - Rischio di procedura 2-3% Indicazioni Determinazione rapida del cariotipo fetale Difficoltà al prelievo di liquido amniotico per la presenza di oligoidramnios (un volume ridotto di liquido amniotico; è associato a complicazioni materne e fetali) Diagnosi prenatale di malattie ematologiche fetali, emoglobinopatie e sindromi da immunodeficienza Analisi del materiale prelevato con le tecniche invasive Villocentesi, Amniocentesi e Funicolocentesi sono metodi per ottenere materiale biologico fetale da analizzare attraverso tecniche: CITOGENETICHE Analisi del cariotipo fetale per evidenziare alterazioni del numero e della struttura dei cromosomi es: S. Down, S. Turner MOLECOLARI Ricerca di mutazioni sul DNA per l’identificazione di malattie geniche es: talassemie, fibrosi cistica, distrofia di Duchenne Indicazioni all’esame cromosomico/genetico in epoca prenatale Età materna avanzata (>35 aa) Precedente gravidanza/nato con patologia cromosomica Genitore portatore di riarrangiamento cromosomico Familiarità per malattie con localizzazione genica nota o per malattie congenite del metabolismo Screening (tri-test, bi-test, traslucenza nucale) con risultato patologico Riscontro ecografico di anomalie morfologiche fetali Alterazioni biochimiche nella madre (aumento dei valori di gonadotropina corionica, riduzione dell'alfa-fetoproteina e dell'estriolo non coniugato predicono nel Triplo-test il 70% delle gravidanze con feto affetto da trisomia 21) Vantaggi Svantaggi Alcune malattie genetiche sono curabili se diagnosticate precocemente La DP non può stabilire in assoluto se il nascituro sarà sano Per alcune malattie una DP permette in ogni caso di pianificare una serie di La DP è in grado di identificare l’anomalia, ma non può predire se il nascituro interventi importanti prima e dopo la nascita svilupperà la malattia in forma lieve o grave, né prevedere l’età di esordio Rischio di perdere la gravidanza Polimorfismi e varianti a singolo nucleotide (SNP/SNV) e variazioni del n° di copie (CNV) In media ogni 800-1000 nucleotidi due genomi differiscono per un singolo nucleotide Coppia di cromosomi omologhi: 1 chr di origine paterna e 1 chr di origine materna Contengono un ugual numero di geni distribuiti nelle stesse posizioni cromosomiche Presentano differenze minime nella sequenza nucleotidica del DNA SNV: «Single Nucleotide variant» Polimorfismi e varianti rare Per polimorfismo si intende l’esistenza di differenze tra individui, sia a livello di DNA (p. del DNA) sia a livello delle proteine prodotte (p. proteici) UN LOCUS È CONSIDERATO POLIMORFICO SE PRESENTA ALMENO DUE ALLELI DEI QUALI IL PIÙ RARO HA UNA FREQUENZA > 1% GLI ALLELI CON UNA FREQUENZA < 1% SONO DEFINITE VARIANTI RARE E SONO QUELLI A CUI È RICONDUCIBILE LA MAGGIORANZA DELLE MALATTIE GENETICHE Single Nucleotide Polymorphism (SNP) MAF > 1% e < 50 pb Al di sotto della soglia MAF < 1% si è soliti parlare di variante rara (Single Nucleotide Variant, SNV) MAF < 1% e < 50 pb Copy Number Variant (CNV) = variazione nel n° di copie di un frammento di DNA di dimensione superiore a 50 pb rispetto ad una sequenza di riferimento SNP/SNV costituiscono il 90% di tutte le variazioni genetiche umane SNP/V con frequenza minore, pari, o maggiore all'1% sono presenti circa ogni 100-200 coppie di basi lungo l'intero genoma Globalmente sono state identificate 155 milioni di varianti (SNP + SNV) nel genoma umano (circa 3.6 milioni in ogni genoma) Mutazione Evento casuale e stabile che produce una variazione nel patrimonio genetico. Le variazioni possono essere più o meno estese (alterazione di una base alla perdita/acquisizione di migliaia di basi e perfino interi cromosomi) e possono essere trasmesse da una cellula a un’altra o da un organismo alla sua progenie Mutazione genica: limitata ad una sequenza codificante, alterano un singolo gene  Mutazione cromosomica: altera la struttura o il n° dei cromosomi Il termine mutazione indica la differenza in una sequenza di nucleotidica di un individuo rispetto al genoma di riferimento. È causa di disfunzioni di un gene e quindi di manifestazioni di fenotipi patologici Il termine polimorfismo invece indica l’evento che lascia inalterata la funzionalità del gene, variazione che in una popolazione si riscontra con una frequenza superiore all’1% Le mutazioni puntiformi possono anche verificarsi all'interno della regione regolatrice di un gene. Ciò può determinare conseguenze molto variabili che vanno da nessun effetto fenotipico a cambiamenti dell'espressione genica che danno origine a gravi patologie. Mutazioni dinamiche: sono dovute alla ripetizione di brevi triplette nucleotidiche all'interno di una regione codificante (in questo caso la tripletta più frequente è CAG che codifica la glutammina) o non-codificante di un gene. La mutazione che si origina nel corso della replicazione del DNA provoca una variazione nel numero di queste sequenze ripetute; il nuovo filamento di DNA potrà presentarne in eccesso o in difetto. Il fenomeno che causa la mutazione è detto slittamento della replicazione (replication slippage) ed è dovuto al cattivo appaiamento dei due filamenti complementari. Malattie genetiche associate a questo tipo di mutazione sono la Corea di Huntington e la sindrome dell'X fragile Riarrangiamenti genici strutturali: comprendono tutte quelle mutazioni che alterano il genoma variando la struttura dei cromosomi (mutazioni cromosomiche) o il numero dei cromosomi (mutazioni genomiche). Sono definite anche anomalie citogenetiche o anomalie cariotipiche. Queste alterazioni normalmente sono una conseguenza di un errore durante la divisione cellulare, nella meiosi o nella mitosi. A differenza delle mutazioni geniche che sono riscontrabili solo tramite analisi genetica, queste possono in molti casi essere visibili anche al microscopio, in quanto portano alla formazione di particolari strutture cromosomiche nella fase di appaiamento. Le loro conseguenze possono variare da nessun effetto fenotipico qualora le mutazioni coinvolgano sequenze ripetute a patologie genetiche gravi Mutazioni cromosomiche o anomalie cromosomiche: quando è la struttura di uno o più cromosomi ad essere alterata. Le mutazioni cromosomiche possono essere di sei tipi: delezioni o duplicazioni, inversioni, traslocazioni, conversioni geniche, trasposizioni e cromosomi ad anello Le delezioni e duplicazioni sono dovute ad errori nel processo della ricombinazione omologa, detta anche crossing-over, che si verifica nella meiosi. A causa della presenza di geni che hanno un alto grado di omologia, di pseudogeni o di sequenze ripetute si possono verificare errori nell'appaiamento dei cromosomi, tali che i frammenti di DNA scambiati tra i due cromosomi non sono eguali, per cui si verifica una delezione su uno e una duplicazione sull'altro. Può capitare che durante una ricombinazione non-omologa dovuta ad un riarrangiamento non corretto alcuni geni all'interno di blocchi di DNA siano collocati presso un'area a forte presenza eterocromatica. In questo caso è possibile che questi geni vengano inattivati mediante il fenomeno dell'effetto di posizione. Disturbi associati a questa anomalia sono la sindrome di Wolf-Hirschhorn, che è causata dalla perdita di parte del braccio corto del cromosoma 4, e la sindrome di Jacobsen, originata dalla delezione della parte terminale del cromosoma 11. Alcuni disturbi conosciuti dovuti a duplicazione sono la sindrome di Bloom e la sindrome di Rett L'inversione è una mutazione dovuta all'inversione dell'orientamento di una regione di un cromosoma che causa un'inversione dell'ordine dei geni. Sono dovute alla forte presenza di sequenze duplicate o invertite presso il gene interessato. L'omologia delle due sequenze determina il ripiegamento del DNA e il loro appaiamento. La cellula interviene effettuando una ricombinazione non omologa che determina l'inversione della regione compresa tra le due ripetizioni La traslocazione avviene quando una regione di un cromosoma viene trasferita in un'altra posizione dello stesso cromosoma o di un altro; ci sono due tipi principali di traslocazioni: la traslocazione reciproca e la traslocazione robertsoniana La conversione genica è una mutazione in cui si hanno trasferimenti non reciproci di sequenze di DNA tra geni o alleli, nel primo caso la conversione è interallelica nel secondo caso si dice che è interlocus. Delle due sequenze, quella che rimane invariata è detta donatore, quella che viene modificata è detta accettore I cromosomi ad anello possono formarsi se le estremità di un cromosoma (telomeri) si rompono, e lasciano estremità coesive. In questo modo dei geni possono essere persi o spezzati, portando a sintomi come crisi epilettiche, nel caso del chr 20 ad anello Si parla di mutazione genomiche o anomalie cariotipiche quando un organismo presenta dei cromosomi in più o in meno rispetto al normale. Se sono presenti interi corredi cromosomici in più o in meno si parla di euploidia aberrante; se invece è solo una parte del corredo in eccesso o in difetto l'anomalia è chiamata aneuploidia. Nell'uomo e, in generale, in tutti gli organismi diploidi, che hanno dunque coppie di cromosomi omologhi, le forme di aneuploidia più frequenti sono la mancanza di un cromosoma da una coppia (monosomia) o la presenza di un cromosoma in più in una coppia (trisomia). Più raro è il caso di perdita di una coppia intera (nullisomia). Un esempio degli effetti di un'anomalia di questo tipo è la sindrome di Down, chiamata anche trisomia 21; gli individui affetti da questa sindrome hanno tre copie del cromosoma 21, invece che due. La sindrome di Turner è invece un esempio di monosomia; gli individui nati con questa anomalia possiedono un solo cromosoma sessuale, quello femminile X. Tra gli organismi aploidi i casi più diffusi di aneuploidia consistono nella presenza di un cromosoma soprannumerario (disomia)  Le mutazioni da sistemi di riparazione sono mutazioni genetiche possono essere inserite anche da particolari processi di riparazione del DNA. Può capitare infatti che determinati danni del DNA non siamo riconosciuti e riparati da nessun macchinario preposto a questo compito, fino al successivo ciclo di replicazione: se questi danni (come ad esempio i fotoprodotti indotti dalle radiazioni ultraviolette) bloccano l'azione della DNA polimerasi, cioè impediscono di replicare il DNA a valle del danno, determinano la perdita di materiale genetico con conseguenze praticamente sempre letali per la cellula figlia. Le mutazioni puntiformi (SNV) consistono in cambiamenti della sequenza delle basi - SEQUENZA ORIGINALE GAC AAA GGA TGA CTG - Sostituzioni GAC AAA GGA CGA CTG - Inserzioni (< 50 pb) GAC AAA TGG ATG ACT G - Delezioni (< 50 bp) GAC AAG GAT GAC TG Sostituzione GAC AAA GGA TGA CTG - SEQUENZA ORIGINALE GAC AAA GGA CGA CTG - SOSTITUZIONE MUTAZIONI SPONTANEE MUTAZIONI INDOTTE Quelle che avvengono in normali condizioni Quelle provocate dall’uso di agenti mutageni 1- Errori durante la replicazione 1- Natura fisica Appaiamento errato dovuto a forme tautomeriche I più importanti mutageni fisici sono rappresentati dalle radiazioni a bassa Appaiamento errati per slittamento lunghezza d’onda Radiazioni ionizzanti Raggi ultravioletti 2- Danneggiamento spontaneo del DNA 2- Natura chimica Deamminazioni Sostanze che sostituiscono le basi del DNA durante la replicazione Depurinazioni Sostanze che interagiscono con gli acidi nucleici  Sostanze che si legano al DNA Il tasso di mutazione spontanea, vale a dire la frequenza con cui un determinato gene muta, espresso come numero di mutazioni per gene per generazione (o per gamete), è compreso in media tra 10−5 e 10−6. In altri termini, un gamete ogni 10.000 è portatore di una nuova mutazione a un dato locus genico Errori nella replicazione del DNA: Tautomeria Le basi possono passare dallo stato chetonico normale a quello enolico raro e dalla forma aminica normale a quella iminica rara Nella sua forma rara una base può formare legami diversi rispetto a quelli che non sono normalmente presenti nella doppia elica di DNA e causare appaiamenti errati Errori nella replicazione del DNA: slittamento Meccanismo che accade in corrispondenza di sequenze ripetute o palindromiche, che durante la replicazione possono andare incontro ad appaiamento scorretto e slittamento. Questo modello è in accordo con l’insorgenza di mutazioni frameshift soprattutto in regioni del DNA ripetute ⇨ malattie genetiche causate dell’espansione di triplette Danneggiamento spontaneo del DNA Depurinazione rottura del legame glicosilico che lega il deossiribosio alla base azotata e conseguente creazione di un sito apurinico non in grado di specificare la base complementare = cioè perdita di una base azotata purinica (adenina o guanina) da un nucleotide per rottura di un legame glicosidico - Deamminazione Riguarda le basi azotate: adenina (viene convertita in ipoxantina), guanina (in xantina), citosina (in uracile), e 5- metilcitosina (in timina). Questi processi possono portare a mutazioni genetiche Citosina viene trasformata in Uracile che, se non corretto si appaia con Adenina 5-metil-citosina si trasforma in timina che non viene corretta (punto caldo di mutazione) (depurinazione e deamminazione sono idrolisi) - Danneggiamento indotto del DNA Mutageni 1. Natura fisica I più importanti sono rappresentati dalle radiazioni a bassa lunghezza d’onda Radiazioni ionizzanti Raggi ultravioletti 2. Natura chimica Sostanze che sostituiscono le basi del DNA durante la replicazione Sostanze che interagiscono e modificano gli acidi nucleici Sostanze che si legano al DNA I mutageni fisici sono soprattutto radiazioni ionizzanti (raggi X, raggi gamma) e non ionizzanti (raggi UV); gli agenti chimici sono molto numerosi e appartengono a diverse classi di composti. Oltre che per la natura i mutageni differiscono anche per spettro mutazionale, ovvero per il tipo (o i tipi) di mutazione che possono provocare. Spesso una stessa conseguenza può essere causata da mutageni diversi (anche per natura), anche se generalmente i meccanismi con cui essi hanno agito sono profondamente diversi. Un'importante differenza tra mutageni fisici e chimici è che i primi agiscono indipendentemente dall'organismo; i mutageni chimici invece possono avere effetti diversi in funzione del sistema biologico. Mentre una radiazione, infatti, colpisce direttamente il materiale genetico, un composto chimico può interagire con altre molecole (enzimi, metaboliti, specie reattive...) presenti nella cellula che ne possono variare le caratteristiche Geni malattia mendeliane ⇾ Mutazioni malattia/varianti patogenetiche Le patologie mendeliane sono quelle malattie genetiche che seguono la modalità di ereditarietà monogeniche, dovute alle mutazioni di un singolo gene. Sono patologie mendeliane l'ipercolesterolemia familiare, la neurofibromatosi, la sclerosituberosa, l'acondroplasia Più mutazioni sono presenti nello stesso gene in individui diversi con la stessa malattia Le mutazioni sono individuo/famiglia specifiche: MUTAZIONI PRIVATE (mutazioni che si verificano raramente, all'interno di una stessa famiglia) ETEROGENEITÀ ALLELICA (causano MALATTIE ALLELICHE mutazioni nello stesso gene possono causare malattie diverse) ETEROGENEITÀ GENETICA (la stessa malattia può esser causata da mutazioni in geni diversi) Effetto delle mutazioni geniche Le mutazioni puntiformi possono colpire regioni diverse del gene: Sequenze codificanti Giunzioni di splicing Sequenze regolatrici nel promotore Conseguenze di una mutazione genica da SOSTITUZIONE DI BASI nelle regioni codificanti Mutazione puntiforme: è una variazione di sequenza del DNA che interessa uno o pochi nucleotidi ma è possibile considerare "puntiformi" anche mutazioni fino a 50 nucleotidi. Molte mutazioni puntiformi sono probabilmente senza effetto, in tal caso si dice che sono neutre, infatti gran parte del DNA in un genoma eucariotico non codifica prodotti proteici ed è incerto se il cambiamento di una singola base nucleotidica in questa parte silente del DNA possa influire sulla salute di un organismo. Una singola mutazione puntiforme può però avere un notevole impatto sul fenotipo come accade ad esempio nell'anemia falciforme. Le mutazioni per sostituzione di basi determinano lo scambio di un nucleotide con un altro. Sono definite transizioni qualora vi sia un scambio di una purina con altra purina (A>G) o di una pirimidina con un'altra pirimidina (C>T); si dicono invece transversioni quando lo scambio è di una purina con una pirimidina o viceversa (C/T>A/G). In genere le transizioni sono più frequenti delle transversioni. Le mutazioni puntiformi possono essere di 6 tipologie: silenti, missenso, delezioni o inserzioni in frame, inserzioni nonsenso,mutazioni frame-shift o mutazioni di splicing ▪ Missenso o di senso, determina l'inserimento di un amminoacido diverso, quando all'interno di una sequenza di DNA viene sostituita una base azotata in modo tale che la sequenza amminoacidica sia modificata. Questo tipo di mutazioni può essere neutra e non determinare nessun fenotipo specifico rappresentando semplicemente un polimorfismo a singolo nucleotide (SNP) o una variante privata, ma può anche dare origine a patologie gravi come l'anemia falciforme. ▪ Non senso si verifica quando il risultato della sostituzione di un nucleotide è un codone d'arresto. Si provoca la fine della sintesi della proteina prima che sia stato tradotto l'intero polipeptide, ha un effetto patogenetico generalmente deleterio (gravemente nocivo alla salute). Per esempio la tripletta TGC codificante cisteina è sostituita da TGA, che verrà trascritto nell'mRNA come UGA, uno dei tre codoni di stop. La conseguenza è la proteina codificata non viene esportata oppure, se codificata, è tronca, poiché la traduzione si conclude al codone di stop ignorandone le triplette a valle. La conseguenza di questa mutazione è una proteina tronca non funzionale o nociva. Se però il codone di stop si trova ad almeno 50 nucleotidi dalla sequenza di splicing più vicina nell'mRNA, la cellula attiva un meccanismo di protezione noto come NMD (Nonsense Mediated Decay) che degrada l'mRNA mutato. In alternativa, è possibile che si attivi un altro meccanismo noto come NAS (Nonsense-associated Alterated Splicing) che esclude l'esone contenente la tripletta mutata in codone di stop, permettendo l'associazione degli altri esoni in una proteina più corta. ▪ Silente cambiamento di un nucleotide che però non comporta anche il cambiamento dell'amminoacido corrispondente, non si hanno quindi conseguenze per l'individuo ▪ Altri cambiamenti della proteina possono derivare dalla perdita (delezione) o dall'aggiunta (inserimento) di nucleotidi in un gene. Le delezioni in frame e le inserzioni in frame determinano rispettivamente l'eliminazione di una tripletta o di un numero di nucleotidi divisibili per 3 oppure l'inserzione di una tripletta o di un numero di nucleotidi divisibili per 3. Sono in frame poiché non spostano la cornice di lettura a livello ribosomiale, questo infatti comporterebbe il pressoché totale cambiamento della sequenza amminoacidica di una proteina. Questo tipo di mutazioni determinano l'eliminazione o l'aggiunta di amminoacidi nella proteina codificata a partire dall'mRNA maturo che le contiene. Le conseguenze di queste mutazioni sono molto varie ▪ Mutazioni frame-shift sono dovute a delezione o inserzioni di un numero di nucleotidi non divisibile per 3, questo comporta lo spostamento della cornice di lettura a valle della mutazione e quindi la codificazione di una sequenza amminoacidica non corrispondente a quella del trascritto originario. La conseguenza è la produzione di proteine anomale che hanno solo porzioni di sequenza corrispondenti all'originaria o la mancata esportazione o traduzione dell'mRNA mutato Quindi se la mutazione consiste in una inserzione o delezione di basi (non in multipli di tre), si verifica una mutazione frameshift (scivolamento della cornice di lettura del codice) l’aggiunta o la perdita di una base sposta di un nucleotide la lettura di tutto il messaggio. La maggior parte degli aminoacidi inseriti sono diversi da quelli della proteina selvatica. ▪ Mutazioni di splicing sono un insieme di 4 tipi di mutazioni che coinvolgono sequenze importanti per lo splicing del pre-mRNA 1) Una prima tipologia coinvolge il sito donatore di splicing (GT) o il sito accettore (di norma AG). Mutazioni in questi due marcatori iniziale e finale di una sequenza intronica possono portare all'inclusione dell'introne nel trascritto maturo oppure ad uno splicing non corretto 2)Una seconda tipologia coinvolge brevi sequenze consenso a monte e a valle del sito donatore e del sito accettore, oppure una sequenza consenso del sito di biforcazione (branch-site) 3)Una terza tipologia coinvolge mutazioni in una sequenza ESE o ESS e può essere ascritta anche alle mutazioni silenti 4)Infine un'ultima tipologia coinvolge mutazioni che creano nuove sequenze consenso all'interno di un introne, e in tal caso questo o sue parti possono venire incluse nel trascritto, oppure in un esone, in tal caso si verifica l'exon skipping Conseguenze di una mutazione genica da INSERZIONI/DELEZIONI nelle regioni codificanti PTC Premature Termination Codon of translation = codone di STOP (codone di terminazione o codone non senso, è una tripletta di basi che non codifica per nessun amminoacido (DNA non codificante) e che blocca la traduzione del filamento di m-RNA (RNA messaggero) in una catena polipeptidica). PTC nell’mRNA attiva il nonsense mediated (RNA) decay NMD. La degradazione dell’RNA mediata da un codone nonsenso è un meccanismo cellulare di sorveglianza degli mRNA che identifica ed elimina mutazioni nonsenso prevenendo la produzione di proteine tronche o erronee. Nei mammiferi l'NMD avviene durante la traduzione dell’mRNA. Effetto dell’NMD: aploinsufficienza funzionale (mancanza del 50% di un prodotto genico, causata da una mutazione in eterozigosi, in cui il prodotto residuo non è sufficiente a svolgere la sua funzione). QUINDI Le mutazioni spontanee, sono mutazioni provocate da fattori chimici endogeni e da errori nei processi che si attuano sul materiale genetico; la definizione di mutazione spontanea è di mutazione che avviene in assenza di agenti mutageni noti. Non sono molto frequenti, ma sono comunque inevitabili vista la intrinseca imperfezione di ogni meccanismo molecolare. Gli errori possono essere dovuti a: Tautomeria: una base è modificata per lo spostamento di un atomo di idrogeno Deaminazione: reazione che trasforma una base azotata in una diversa; ad esempio provoca la transizione C → U (che può essere riparata); c'è anche la deaminazione spontanea della 5-metilcitosina in T e la deaminazione che determina A → HX (adenina → ipoxantina) Depurinazione: idrolisi del legame glicosidico e formazione di un nucleotide privo di base (di solito G o A) Danni ossidativi: dovuti alla formazione spontanea nella cellula di specie con atomi di ossigeno molto reattive, in grado di attaccare il DNA e causare danni al singolo o al doppio filamento e danneggiamento delle basi azotate Errori nei processi di replicazione, della ricombinazione e della riparazione del DNA. Ad esempio può essere dovuta alla DNA polimerasi che aggiunge nucleotidi non corretti; ciò può generare una trasversione se c'è lo scambio di una purina con una pirimidina o viceversa; una transizione se c'è lo scambio di una purina con un'altra purina oppure di una pirimidina con un'altra pirimidina. Le mutazioni indotte sono invece prodotte dall'azione di particolari agenti fisici o chimici detti appunto agenti mutageni. È detto mutagenesi il processo che determina una mutazione indotta e mutagenizzato l'organismo in cui è stata prodotta. Si distinguono i danni per mutazioni indotte in: Sostituzione delle basi con molecole con struttura analoga a quelle comunemente presenti nel DNA ma che formano appaiamenti diversi e quindi errati Aggiunta di gruppi sostituenti alle basi azotate: anche in questo caso generando molecole con capacità di appaiamento non corrette Danneggiamento delle basi azotate: rompendo legami o aggiungendone di nuovi rispetto alla condizione normale  Inserzione o delezioni di basi. Caratteri mendeliani Caratteristiche dei caratteri mendeliani Le 3 leggi di Mendel I caratteri indipendenti e associati Dominanza e Codominanza fra gli alleli Allelismo multiplo Le mutazioni geniche portano alla formazione di diverse varianti dello stesso gene che si definiscono alleli. Il numero di varianti alleliche di un gene non è quantificabile; tuttavia, un individuo con un corredo cromosomico diploide eredita due alleli per ogni gene: uno dalla madre ed uno dal padre: I due alleli sono localizzati sui due cromosomi omologhi uno di origine paterna e l’altro di origine materna in un sito specifico e caratteristico della specie definito locus Quando entrambi gli alleli sono presenti nella stessa forma, l’individuo si dice omozigote per quel carattere. Quando invece possiede due alleli diversi l’individuo è eterozigote La combinazione di alleli posseduta da un individuo ad un determinato locus determina il genotipo a quel locus. In senso lato il genotipo non è altro che la combinazione di alleli posseduta da un individuo. Il genotipo di un individuo influenza la manifestazione fenotipica di un carattere; i meccanismi con i quali questo si realizza possono essere molto complessi Caratteri Mendeliani Multifattoriali Sono determinati da un singolo gene. La loro manifestazione fenotipica Sono influenzati da più loci e/o da altri elementi (ambientali, stile di vita..) dipende dal genotipo e dalla relazione di dominanza fra gli alleli La maggior parte dei caratteri umani è governata da geni presenti in più di La loro trasmissione attraverso le generazioni è descritta dalle leggi di un locus, con un maggiore o minore contributo da parte dei fattori Mendel ambientali Il monaco Gregor Mendel (1822- 1884) fu il primo a studiare il fenomeno della trasmissione dei caratteri ereditari. Per questo, pur non avendo nessuna conoscenza dei cromosomi e della meiosi, viene considerato il fondatore della genetica, ossia la scienza che studia l’ereditarietà. Le idee sull’ereditarietà ai tempi di Mendel erano vaghe. Un’idea generale era che i caratteri venissero trasmessi dai genitori ai figli insieme e mischiati. Così l’informazione ereditata cambiava nella progenie, un’idea che Mendel trovava sbagliata. “I caratteri”, o ciò che noi ora chiamiamo alleli venivano ereditati immutati. Questa osservazione e il modello di ereditarietà di questi caratteri portarono alla prima definizione di gene. Piano sperimentale di Mendel Buona scelta dell’organismo modello Il pisello da giardino - cresce facilmente - si moltiplica facilmente - ha fecondazione incrociata e autofecondazione Studiò caratteri discreti e facili da monitorare e controllò rigorosamente le condizioni di fecondazione e crescita. Cominciò con linee pure Analisi statistiche ▪ Lavorò con moltissime piante ▪ Contò tutta la progenie ▪ Fece previsioni e le testò Linea pura = piante che se incrociate tra loro producono solo piante con caratteristiche identiche a quelle dei genitori Incrocio monoibrido 1. Legge della dominanza (Uniformità della prima generazione ibrida) - I legge di Mendel Dall’incrocio di 2 individui, appartenenti a linee pure, che differiscono per 1 tratto, si ottiene una generazione filiale (F1) formata da individui tutti uguali che manifestano il tratto presente in uno dei 2 genitori (P) Ogni individuo porta due “elementi” (geni) che controllano un determinato carattere (fenotipo) Durante la formazione dei gameti questi fattori (cromosomi) si separano (segregano) Ogni gamete contiene un solo fattore di ciascuna coppia di fattori → ogni individuo riceve una copia di ciascun gene da ciascun genitore. Oggi noi sappiamo che i geni sono presenti sui cromosomi e che ogni individuo è diploide, con un set di cromosomi che deriva da ciascun genitore La fecondazione fornisce ciascun nuovo individuo di due fattori (cromosomi) per ciascun carattere (gene) Dall’incrocio di 2 individui, appartenenti a linee pure, che differiscono per 1 tratto, si ottiene una generazione filiale (F1) formata da individui tutti uguali che manifestano il tratto presente in uno dei 2 genitori (P) Individui della generazione F1 hanno un fenotipo dominante liscio, perché sebbene sia presente l’allele recessivo s questo non si manifesta perché è presente l’allele dominante S Risultati in F2 relativi ai 7 caratteri studiati da Mendel Incrociando ibridi (Ss) della prima generazione F1 si ottiene una seconda generazione filiale F2 nella quale il carattere dominante e quello recessivo si presentano sempre nel rapporto fenotipico di 3:1 CONCLUSIONI DELLA PRIMA SERIE DI INCROCI I fattori (geni) che determinano i caratteri possono essere nascosti o inespressi (carattere rugoso o verde in F1). Mendel chiamò CARATTERE RECESSIVO il carattere non espresso nella F1 e CARATTERE DOMINANTE il carattere espresso nella F1. Mendel concluse che nonostante F1 e P avessero lo stesso identico aspetto dovevano essere geneticamente differenti. Oggi usiamo il termine FENOTIPO per descrivere il carattere visibile e il termine GENOTIPO per descrivere la composizione genetica di un organismo Ogni pianta F1 contiene 2 varianti dello stesso gene (alleli), uno per il carattere liscio e uno per il carattere rugoso (uno per il carattere giallo e uno per il carattere verde, etc.) S=liscio, carattere dominante ; s=rugoso, carattere recessivo Y=giallo, carattere dominante ; y=verde, carattere recessivo 2. Principio della segregazione dei caratteri (II legge di Mendel) Un individuo eredita, per un dato gene, un allele da entrambi i genitori i due alleli segregano (si separano) l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti: metà dei gameti conterrà un allele e l’altra metà l’altro allele. Ogni allele viene trasmesso in modo indipendente! Il quadrato di Punnet: metodo per analizzare gli incroci, è un diagramma utilizzato in biologia per determinare le probabilità con cui si manifestano i diversi genotipi/fenotipi derivati dall'incrocio di diversi gameti. Gg x Gg G>g = il fenotipo G è dominante sul fenotipo g - (maschile); (femminile) Negli incroci di monoibridi, cioè gli incroci in cui si prende in considerazione un solo carattere (es. il colore del seme) si disegna un quadrato con 4 celle e si dispongono le varianti alleliche, e dopo si creano le varie combinazioni possibili Verifica dell'ipotesi TEST CROSS è utilizzato per stabilire il genotipo di un individuo che manifesta fenotipo dominante è un incrocio sperimentale tra un individuo con fenotipo dominante ma genotipo sconosciuto e un individuo con fenotipo recessivo (che può essere solamente omozigote) che ha lo scopo di determinare il genotipo del primo individuo: Se l'individuo a genotipo sconosciuto è omozigote si ottengono individui tutti a fenotipo dominante Se l'individuo a genotipo sconosciuto è eterozigote circa la metà dei figli mostrerà il fenotipo dominante, mentre l'altra metà quello recessivo Principio della segregazione Cromosomi-geni-alleli La seconda legge di Mendel o legge della segregazione: quando un individuo produce gameti, le due copie di un gene (cioè gli alleli) si separano, cosicché ciascun gamete riceve soltanto una copia Elementi di calcolo delle probabilità La probabilità è il rapporto tra il n° di casi in cui un evento atteso si manifesta, e il n° di opportunità che esso ha di accadere, ovvero il rapporto tra casi favorevoli (quelli che mi interessano) e casi possibili. - Regola della somma La probabilità che si verifichi l’uno o l’altro di due o più eventi mutualmente esclusivi è data dalla somma della probabilità dei singoli eventi Es. la probabilità che da un mazzo di carte venga estratto un re o un asso (ci va bene o l’uno o l’altro) è: 1/10 +1/10=1/5 - Regola del prodotto La probabilità che due eventi indipendenti si verifichino contemporaneamente, è data dal prodotto delle probabilità dei singoli eventi Es. La probabilità che in una famiglia nascano tre figli nell’ordine MFM è: ½ x ½ x ½ =1/8 Esempio Qual è la probabilità che lanciando un dado esca tre? Caso favorevole: 1 Casi possibili: 6 - P(di un tre)= 1/6 Qual è la probabilità che lanciando due dadi esca tre su entrambi i dadi? P(di due tre)= 1/6 x 1/6= 1/36 Qual è la probabilità che lanciando due dadi escano o due 3 o due 4? P(di due 3 o di due 4)= 1/36 + 1/36 = 1/18 Metodo a linee ramificate per analizzare gli incroci Esempio 1 Genitore 1 con un genotipo omozigote HH produce tutti gameti H Genitore 2 eterozigote Hh produce 2 tipi di gameti, H (1/2) e h (1/2), con uguale frequenza La progenie sarà quindi per metà HH e per metà Hh  Si può costruire il quadrato di Punnett (per l’individuo omozigote per il genotipo HH ci sarà una sola colonna perché produrrà un solo tipo di gameti (H) con una frequenza del 100% =1 Esempio 2 Nell’incrocio tra gli individui eterozigoti della seconda generazione ibrida (F2) Hh x Hh ci si attende, secondo la II legge Mendel (segregazione) che l’unione casuale dei gameti determina un rapporto genotipico 1/4:2/4:1/4 e fenotipico 3/4:1/4 Esempio 3 Determina per ogni incrocio indicato qui sotto le classi genotipiche e fenotipiche attese nella progenie e le relative frequenze (segui le indicazioni riportate nelle colonne per aiutarti nella risoluzione) Genotipo Gameti formati dal Gameti formati dal Classi genotipiche e Classi fenotipiche e individui primo individuo e loro secondo individuo e loro frequenze nella loro frequenze incrociati frequenza loro frequenza progenie nella progenie a) AA x AA A (1) A (1) AA (1x1 = 1) A (1) b) Bb x bb B (1/2) : b (1/2) b (1) Bb (1/2 x 1 = ½) B (1/2) : b (1/2) bb (1/2 x 1 = ½) c) CC x cc C (1) c (1) Cc (1 x 1 = 1) C (1) d) dd x Dd d (1) D (1/2) : d (1/2) Dd (1 x ½ = ½) D (1/2) : d (1/2) Dd (1 x ½ = ½) e) Ee x Ee E (1/2) : e (1/2) E (1/2) : e (1/2) EE (1/2 x ½ = ¼) E (1/4 + ½ = 3/4) Ee (1/2 x ½ x 2 = ½) e (1/4) ee (1/2 x ½ = ¼) Risolverlo con il metodo delle ramificazioni: Per ottenere i genotipi (incrocio Ee x Ee) percorro i vari rami, raccogliendo gli alleli e le relative frequenze. I fenotipi li desumo dalle classi genotipiche, ricordando le regole della dominanza e della recessività Il comportamento ereditario di un carattere può influenzare la trasmissione di un altro? Il carattere «Forma» del pisello (con fenotipi liscio/rugoso) può influenzare la trasmissione del carattere «Colore» del pisello (con fenotipi giallo/verde Quadrato di Punnet in diibridi con due caratteri Negli incroci di diibridi, cioè gli incroci in cui si prendono in considerazione 2 caratteri (es. il colore e la superficie del seme) si disegna un quadrato con 16 celle e si rappresentano le varianti alleliche e una volta fatto questo si creano le varie combinazioni possibili. Vale lo stesso concetto dei monoibridi omozigoti, infatti abbiamo tutti i genotipi e i fenotipi identici (tutti “Ss Yy” quindi tutti lisci e gialli). Nell’incrocio diibridi eterozigoti abbiamo 9 classi genotipiche diverse e 4 classi fenotipiche Il principio dell'assortimento indipendente in incroci che coinvolgono 2 caratteri = III legge di Mendel Secondo la 3 legge di Mendel detta anche principio dell'assortimento indipendente, i set di cromosomi (geni) di origine paterna e materna sono mescolati e sono distribuiti in modo casuale nei gameti. Pertanto è possibile avere ottenere qualsiasi combinazione di fenotipi diversi da quelli presenti nei genitori, con la stessa probabilità. Quindi, con 23 coppie di cromosomi il numero di possibilità è 223 ossia 8,388,608 diverse combinazioni, non considerando il crossing- over che introduce altre combinazioni. È pertanto assai improbabile generare gameti identici, assicurando una elevata variabilità genetica nella progenie. Il requisito fondamentale è la localizzazione su cromosomi diversi dai caratteri presi in esame. Se i caratteri risiedono sullo stesso cromosoma segregano insieme e non è possibile ottenere combinazioni alternative rispetto ai fenotipi parentali, a meno di eventi di crossing-over cioè l'evento che avviene durante la Profase I della meiosi e che coinvolge sequenze omologhe di DNA su cromatidi non fratelli di cromosomi omologhi) Alleli appartenenti a coppie diverse di geni sono ereditati indipendentemente l’uno dall’altro, ovvero la distribuzione di ciascuna coppia di alleli nei gameti è casuale ed indipendente dalle altre coppie alleliche Ciascuna coppia di cromosomi si separa (si assortisce) in modo indipendente senza alcuna relazione con il modo in cui gli altri cromosomi si separano Nei gameti si possono ritrovare tutte le possibili combinazioni di cromosomi In altre parole, considerando due geni A e B, la separazione degli alleli del gene A è indipendente dalla separazione degli alleli del gene B Durante la formazione dei gameti i cromosomi si riassortiscono l’uno indipendentemente dall’altro, e così fanno due geni qualsiasi situati su coppie di cromosomi omologhi distinti Il numero di gameti diversi prodotti è uguale a 2 (numero di loci indipendenti in eterozigosi) Tutte le possibili combinazioni di gameti per ciascun parentale Il n° di gameti prodotti per una data combinazione allelica è pari a 2n (n = numero di loci eterozigoti) esempi : per SsYy, 2n= 22 = 4; per AaBbCCDd, 2n = 23 = 8; per MmNnOoPPQQRrssTtQq, 2n = 26 = 64 Quanti gameti diversi produrranno un soggetto con genotipo AaBbCc e un soggetto AaBBCc? Il n° di gameti diversi prodotti è uguale a 2n° loci eterozigoti = 23=8 e 22=4; Risultato : 8 e 4 In un incrocio tra due individui, entrambi eterozigoti per due geni (diibridi), qual è la probabilità che la loro progenie abbia fenotipo dominante per un solo carattere? Risultato 3/8 Riassunto delle leggi di Mendel Al termine degli esperimenti, Mendel arrivò alle seguenti conclusioni (che gli permisero di enunciare le tre leggi di Mendel che sono alla base della genetica): I caratteri non si mescolano negli ibridi ma mantengono la propria identità Ogni carattere è controllato da una coppia di "fattori" ereditari, che vengono trasmessi, uno da ciascun genitore, ai figli attraverso i gameti. Oggi si sa che questi fattori sono i geni, che sono presenti sul cromosoma in una delle due forme alternative, dette alleli, delle quali una (allele dominante) prevale sull'altra (allele recessivo), mascherandone la presenza nella F1 Al momento della meiosi, ciascuna coppia di cromosomi (uno di origine materna e uno paterno) si separa in modo che in un gamete vada solo un cromosoma; ogni spermatozoo e ogni cellula uovo possiede quindi un solo allele per ogni carattere Con la fecondazione i gameti si combinano a caso e si riformano le coppie di cromosomi (e quindi di alleli) Si definiscono omozigoti gli individui che hanno i due alleli di un carattere uguali (dominanti o recessivi), eterozigoti gli individui che hanno i due alleli diversi (uno dominante e uno recessivo): gli omozigoti possono produrre un solo tipo di gamete, gli eterozigoti due Le leggi di Mendel valgono sia per le piante sia per gli animali: anche nell'uomo molti caratteri sono trasmessi secondo queste leggi. Il bruno dei capelli è dominante sul rosso; i capelli crespi dominano su quelli lisci; gli occhi scuri su quelli azzurri Proprietà dei caratteri umani ✓Carattere autosomico carattere determinato da un gene il cui locus non è posto sui cromosomi sessuali (X o Y) ✓Carattere legato al sesso carattere determinato da un gene il cui locus è posto sui cromosomi sessuali (X o Y) ✓ Se, ad un locus, un solo allele è sufficiente per determinare l’espressione di un carattere, tale carattere si dice dominante ✓ Se, ad un locus, entrambi gli alleli sono necessari per determinare l’espressione di un carattere, tale carattere si dice recessivo L'eredità mendeliana negli esseri umani Brachidattilia dita anormali grosse e corte, trasmissione autosomica dominante. Primo carattere umano mendeliano nell’uomo (1905) Albinismo trasmissione autosomica recessiva deriva da una mutazione genetica che si verifica in seguito all’incrocio di due individui portatori di geni albini. Si manifesta soltanto in soggetti omozigoti per albinismo (due genitori portatori sani hanno in media il 25% di probabilità di avere un figlio albino) Assortimento indipendente per due caratteri nell'uomo = Albinismo e sordità Caratteri per cui vale la legge dell’assortimento indipendente (III legge di Mendel) Alleli appartenenti a coppie diverse di geni sono ereditati indipendentemente l’uno dall’altro 1. Caratteri determinati da geni localizzati su cromosomi non omologhi 2. Caratteri determinati da geni localizzati su cromosomi omologhi ad una distanza tale da essere sempre separati da un evento di crossing-over Caratteri che non rispettano la legge dell'assortimento indipendente Caratteri determinati da geni localizzati sullo stesso cromosoma (geni che mappano sullo stesso cromosoma=SINTENICI) e che non sono mai/ raramente separati da un evento di crossing-over perché molto vicini tra loro Mendel è stato fortunato perché ha fatto esperimenti con geni che si trovano su cromosomi diversi, i caratteri avevano un rapporto di dominanza completa → le sue leggi non valgono per tutti i casi di trasmissione di caratteri ereditari Oltre le leggi di Mendel Dominanza incompleta Gli eterozigoti hanno un fenotipo intermedio Codominanza Gli eterozigoti esprimono entrambi i caratteri Effetti ambientali Il grado di espressione di un allele può dipendere dall’ambiente Rapporto fra alleli di uno stesso locus Simbologia ALLELI DOMINANTI e RECESSIVI Normalmente si usano lettere maiuscole e minuscole per indicare alleli rispettivamente dominanti e recessivi. Aa, Bb, Cc..  ALLELI CODOMINANTI/DOMINANTI INCOMPLETI Normalmente si usano caratteri maiuscoli con esponenti diversi. LMLN; CRCW.. Si parla di ALLELIA MULTIPLA o POLIALLELIA quando per un locus possono esservi più di due varianti alleliche. La trasmissione segue i principi già enunciati per i caratteri diallelici. L’esistenza di più alleli aumenta solo il numero di combinazioni fenotipiche e genotipiche Indipendentemente dal numero di alleli, un individuo porta sempre solo due alleli Sistema dei Gruppi Sanguigni AB0 Il locus (I= isoagglutinogeno) che controlla il carattere gruppo sanguigno AB0 è presente in tre forme alleliche alternative IA : codifica per l’antigene A IB : codifica per l’antigene B i: non codifica per antigeni A e B sono CODOMINANTI , l’allele 0 è recessivo Gli alleli IA e IB differiscono tra loro per 4 diverse sostituzioni missenso nel dominio catalitico della proteina conferendo a queste forme alleliche una differente specificità di substrato L’allele IA codifica per l’enzima A e l’allele IB codifica per l’enzima B. Questi 2 enzimi aggiungono al glicolipide base, presente sulla superficie degli eritrociti, rispettivamente una molecola di N-acetil-galattosammina (trasformandolo in antigene A) o una molecola di galattosio (antigene B) L’allele recessivo i presenta una mutazione frameshift e conseguente formazione di un codone prematuro della traduzione. Questa mutazione non consente la produzione di alcun enzima funzionale(glicosiltransferasi) Eredità del sistema AB0 Gli antigeni dei gruppi sanguigni presenti sugli eritrociti derivano dalla modificazione di glicolipidi di membrana da parte di glicosiltrasferasi diverse: Un enzima H aggiunge fucosio all'estremità Un enzima A (codificato dall'allele IA) aggiunge N-acetil-galattosamminasul galattosio terminale del glicolipide Un enzima B (codificato dall'allele IB) aggiunge un galattosio al galattosio terminale del glicolipide Reazioni antigeniche che caratterizzano il gruppo sanguigno umano AB0 1. Individui del gruppo A producono l’antigene A e hanno nel siero anticorpi anti-B che agglutinano eritrociti che hanno l’antigene B (B, AB), può essere trasfuso SOLO a riceventi che non abbiano l’anticorpo anti-A: A e AB 2. gruppo B producono l’antigene B e hanno nel siero anticorpi anti-A che agglutinano eritrociti che hanno l’antigene A (A, AB), può essere trasfuso SOLO a riceventi che non abbiano l’anticorpo anti-B: B e AB 3. gruppo AB producono entrambi gli antigene A e B e NON hanno anticorpi nel siero. Accettori universali può essere trasfuso SOLO a riceventi che non abbiano anticorpi anti-A e anti B: solo da se stessi AB 4. gruppo 0 non producono entrambi gli antigeni A e B e hanno nel siero anticorpi anti-A e anti-B che agglutinano eritrociti che hanno l’antigene A e/o B (A, B e AB). Non avendo antigeni sulla superficie il sangue del Gruppo 0 può essere trasfuso a qualsiasi ricevente Donatori universali Guarda tabella p 85 delle slide per vedere tutte le possibili eredità del gruppo sanguigno Es: Un bambino possiede gruppo sanguigno 0, la madre è A: i possibili fenotipi del padre sono: A,B,0 Patologie monogeniche (monofattoriali o mendeliane) Patologie determinate da mutazioni in singoli geni. Maggior parte è trasmessa secondo i modelli di eredità mendeliana. Una malattia monogenica è il risultato dell’anomala produzione, quantitativa e/o qualitativa, della proteina codificata dal gene mutato Cause di abolizione della funzione di un gene: O Delezione del gene parziale o totale O Distruzione della struttura del gene (traslocazione o inversione) O Inserzione di una sequenza O Blocco della trascrizione O Mutazione del promotore con riduzione dei livelli di RNA O Inattivazione di uno slittamento della cornice di lettura O Conversione di un codone per un amminoacido in un codone stop O Sostituzione di un amminoacido essenziale Basi molecolari di dominanza e recessività ▪ Allele normale → proteina funzionale ▪ Allele mutato → proteina non funzionale o assenza di proteina Analisi mendeliana nell'uomo: ricostruzione degli alberi genealogici In genetica umana lo strumento più utilizzato per comprendere i meccanismi di trasmissione di una determinata patologia è l'ALBERO GENEALOGICO o PEDIGREE→ lista sistematica (con parole o simboli) degli antenati di un dato individuo, oppure di un numero esteso di individui Eredità Autosomica Dominante (AD) ▪ Una patologia AD è causata dalla forma allelica dominante di un gene difettoso, che giace su un autosoma ▪ Maggior parte dei malati ha genotipo eterozigote ▪ Un individuo affetto (eterozigote) trasmette la malattia al 50% della progenie ▪ Una persona affetta solitamente ha un genitore affetto Es di malattie a trasmissione autosomica dominante: IPERCOLESTEROLEMIA FAMILIARE, SINDROME DI MARFAN, NEUROFIBROMATOSI, SCLEROSI TUBEROSA, RENE POLICISTICO DELL’ADULTO, SINDROME DI EHLERS-DANLOS, OSTEOGENESI IMPERFETTA , ACONDROPLASIA (gene coinvolto "recettore del fattore di crescita dei fibroblasti di tipo 3" FGFR3) Trasmissione 1. Ogni individuo affetto ha uno dei due genitori affetti, a eccezione dei casi in cui la mutazione malattia sia insorta de novo a livello della linea germinale materna o paterna: casi sporadici 2. La trasmissione della malattia nel pedigree è verticale perché il gene malattia è trasmesso e si manifesta da una generazione a quella successiva 3. Ogni individuo affetto (ETEROZIGOTE) ha la probabilità di avere il 50% di figli sani e il 50% di figli affetti (se può riprodursi) 4. Figli sani di un genitore affetto avranno tutti i figli sani 5. Individui affetti, maschi e femmine, avranno la stessa probabilità di trasmettere la malattia sia ai figli maschi che alle figlie femmine Le malattie genetiche (soprattutto quelle a trasmissione autosomica dominante) sono caratterizzate da: ▪ VARIABILITÀ INTERFAMILIARE ▪ ESPRESSIVITÀ VARIABILE ▪ PENETRANZA INCOMPLETA ▪ SOVRAPPOSIZIONE FENOTIPICA ▪ INSORGENZA TARDIVA ▪ INSORGENZA DE NOVO Complicazioni nell'interpretazione del modello Autosomico Dominante 1)Penetranza Probabilità di espressione fenotipica Completa 100% : tutti i portatori del genotipo manifestano il fenotipo La patologia non si manifesta nel fenotipo = incompleta 36 malattie Disordini neurologici, muscolari.. Patologie da espansione di triplette Ripetizioni consecutive, in n° variabile e quindi polimorfe, di sequenze uguali O Causano in genere disordini neurologici (malattie neurologiche, neurodegenerative e neuromuscolari) O Tendenza al rapporto lineare fra n° di ripetizioni e gravità del quadro clinico O Si possono accompagnare ad anomalie citogenetiche (sito fragile) O Espansione preferenziale nelle trasmissioni materne (sindrome dell'X fragile, distrofia muscolare miotonica) o paterne (corea di Huntington) O Spesso associate al fenomeno dell'anticipazione genetica (=esordio più precoce da una generazione alla successiva e spesso aggravamento dei sintomi) inspiegabili dalla genetica classica e spiegati solo negli ultimi anni con la ''genetica dinamica'' Eredità autosomica recessiva AR Una patologia AR è causata dalla forma allelica recessiva di un gene che giace su un autosoma. I soggetti affetti sono omozigoti per l’allele malattia ✓ Gli individui affetti di solito sono figli di individui non affetti ✓ I genitori di individui affetti di solito sono portatori asintomatici ✓ C’è un’aumentata incidenza di consanguineità tra i genitori ✓ Sono colpiti entrambi i sessi ✓ Dopo la nascita di un figlio affetto, ciascun figlio successivo ha il 25% di probabilità di essere affetto Sia maschi che femmine possono essere affetti e sono presenti in uguali proporzioni nell'albero genealogico La malattia si trasmette orizzontalmente nel pedigree in cui generalmente si osserva un salto di generazione I genitori di un paziente affetto sono solitamente sani, in quanto portatori dell'allele malattia in singola dose Genitori entrambi portatori del gene malattia avranno 1/4 dei figli affetti; se un individuo affetto si incrocia con un individuo portatore, 1/2 dei figli sarà affetto I portatori sani della malattia in alcuni casi si possono identificare poiché presentano segni minori della malattia rispetto agli individui affetti Le malattie autosomiche recessive in genere sono rare e si manifestano nell'individuo fin dalla nascita aa: omozigosi per il tratto recessivo, la variante patogenetica NON è necessariamente in omozigosi Eterozigosi composta due mutazioni differenti (una materna e una paterna) Esempi di malattie autosomiche recessive SORDITÀ, FENILCHETONURIA, DISPLASIE SCHELETRICHE, TALASSEMIA Albinismo (dal latino albus) è una anomalia congenita consistente nella totale o parziale deficienza di pigmentazione melaninica nella pelle, nell'iride e nella coroide, nei peli e nei capelli causata da un'assenza dell'enzima tirosinasi, enzima coinvolto nella sintesi della melanina Fibrosi Cistica (CF) o Mucoviscidosi Incidenza 1/2.000-2.500 persone (1/20-25 portatore sano) O Disfunzione generalizzata delle ghiandole esocrine causata da limitata produzione di acqua nelle secrezioni; questo disturbo è associato al trasporto di elettroliti a livello della membrana cellulare con aumento della densità delle zone di secrezione: pancreas, bronchi, fegato, ghiandole salivari, testicoli O Insorgenza dalla nascita (congenita) O Gene CFTR: Regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica (CFTR in inglese Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) è una proteina di membrana che svolge la funzione di canale ionico per lo ione cloruro, forma i canali che scambiano gli ioni cloro nella membrana plasmatica di cellule epiteliali secernenti O Difetto molecolare: oltre 500 diverse mutazioni nel gene CFTR (loss of function) O Manifestazioni cliniche ▪ insufficienza pancreatica ▪ infezioni polmonari croniche e infezioni ricorrenti che determinano insufficienza respiratoria e di frequente la morte ▪ nel 97% dei maschi c'è infertilità (a causa di secrezioni mucose viscose ostruttive dei polmoni, dei dotti pancreatici e dei dotti deferenti) O Diagnosi molecolare: sequenziamento diretto del DNA O Un altro nome di questa malattia è mucoviscidosi, che descrive bene l’aumentata viscosità delle secrezioni mucose dell’organismo ANEMIA FALCIFORME α e β o drepanocitica O malattia del sangue in cui i globuli rossi, in condizioni di bassa tensione di ossigeno o di circolazione lungo i capillari, assumono una forma irregolarmente cilindrica, che assomiglia a una mezzaluna o una falce O Sintomi clinici prevalentemente in caso di omozigosi legati a: anemia emolitica cronica, asplenia (infarti splenici), fenomeni vaso-occlusivi piccoli e grossi vasi (crisi dolorose, danno d’organo) principali cause di morte Malattie genetiche X-linked dominanti Femmina XX (due alleli, inattivazione X – Corpi di Barr) - Maschio XY (un solo allele - emizigote) L'eredità dei caratteri legati al sesso sono caratteri ereditari regolati da geni presenti sui cromosomi sessuali(eterosomi). La loro trasmissione avviene con rapporti fenotipici diversi rispetto a quelli previsti in base alle leggi di Mendel Per i caratteri sul cromosoma X, il fenotipo dei maschi dipende esclusivamente dal genotipo della madre Per i caratteri sul cromosoma Y, dal padre I rapporti fenotipici sono diversi fra maschi e femmine Simbologia: Gli alleli localizzati sui cromosomi sessuali si riportano come esponenti delle lettere X o Y - Femmine omozigoti dominanti: XAXA - Femmine eterozigoti: XAXa - Femmine omozigoti recessive XaXa - Maschi emizigoti per allele a: XaY  - Maschi emizigoti per allele A: XAY Esempi di malattie X-linked sono molto rare, poiché spesso letali in emizigosi (geni in condizione singola anziché duplice; il termine è generalmente applicato ai maschi XY che, nei confronti delle femmine XX, hanno un unico cromosoma X e quindi un solo allele per tutti i geni portati da quel cromosoma) Rachitismo ipofosfatemico ▪ Se il padre è affetto tutte le figlie femmine sono affette e i maschi sono sani, se la madre è affetta il 50% dei figli è affetto (sia maschi che femmine) ▪ La sintomatologia è più grave nei maschi emizigoti affetti che nelle femmine eterozigoti affette per effetto della lyonizzazione (che avviene nelle femmine, le cellule che portano più di un cromosoma X ne hanno uno solo in attività, mentre gli altri restano inattivi) ▪ Donne affette hanno una probabilità del 50% di avere figli maschi o femmine affette ▪ La malattia si manifesta in tutte le generazioni Sindrome di Rett Arresto e regressione delle capacità psicomotorie a 6-18 mesi di vita, con convulsioni e necessità di carrozzina (entro i 10 anni) Incidenza: 1/10.000 bambine nate L’insorgenza è sporadica il difetto genetico insorge spontaneamente de novo Mutazioni del gene MECP2 È letale nei maschi emizigoti, aborto spontaneo → esistono solo femmine affette Sindrome dell’X fragile o malattia di Martin Bell del gene FMR1 ▪ 2a causa di ritardo mentale di natura genetica dopo sindrome di Down, associata a fragilità del chr X (sito fragile) ▪ Prevalenza 1/4.000 maschi -1/6.000 femmine ▪ Manifestazioni cliniche: - Ritardo mentale moderato o severo - Testa e orecchie grandi - Viso allungato - Macro-orchidismo (testicoli ingrossati) ▪ In passato, l'esame del cariotipo rivelava una strozzatura all'estremità del braccio lungo del cromosoma X, seguito da