Genetica Completo PDF

Genetica È la scienza che studia: 1. La variabilità biologica degli organismi viventi. 2. La trasmissione dei caratteri da un organismo ad un altro o da una cellula ad un’altra e, come vengono ereditati i caratteri. 3. Il ruolo del genoma ed in particolare dei geni nei processi fonda...

Genetica È la scienza che studia: 1. La variabilità biologica degli organismi viventi. 2. La trasmissione dei caratteri da un organismo ad un altro o da una cellula ad un’altra e, come vengono ereditati i caratteri. 3. Il ruolo del genoma ed in particolare dei geni nei processi fondamentali della vita. Le aree della genetica in medicina si distinguono in: ▪ Genetica: studio della variabilità biologica. ▪ Genetica umana: studio della variabilità biologica dell’uomo ovvero studia come i caratteri vengono trasmessi da una generazione all’altra. ▪ Genetica medica: studio della variabilità biologica in relazione alla malattia o allo stato di salute dell’individuo. ▪ Medicina molecolare: si occupa della diagnostica e della comprensione dei meccanismi della suscettibilità genetica delle malattie. ▪ Genetica clinica: è l’applicazione delle capacità diagnostiche e terapeutiche che nascono della Genetica Medica. ▪ Citogenetica: studia la struttura dei cromosomi in condizioni fisiologiche e patologiche. ▪ Genetica molecolare: studia le dinamiche delle popolazioni e loro interazione con l’ambiente. ▪ Genetica di popolazione: studia le dinamiche della popolazione e loro interazione con l’ambiente. ▪ Genetica dello sviluppo: studia i processi che sottendo il normale sviluppo dell’organismo. Definizioni varie ▪ Malattia Congenita: malattia che si manifesta alla nascita può essere ereditaria oppure dovuta a fattori che hanno influenzato la gravidanza. ▪ Malattia a carattere ereditario: malattia trasmessa dal genitore alla progenie secondo le regole della genetica. ▪ Familiare: ogni carattere che è più comune tra i parenti degli individui affetti che nella popolazione generale; le cause possono essere genetiche e/o ambientali. ▪ Caso sporadico: malattia genetica che interessa uno solo dei membri della famiglia non c’è evidenza d’ereditarietà. ▪ Genotipo: costituzione genica di un individuo. ▪ Fenotipo: il risultato finale osservabile dell’interazione del genotipo con i fattori ambientali, la manifestazione visibile dell’azione di uno o più geni. ▪ Ambiente: il complesso di tutte le condizioni ed influenze esterne che controllano la vita e lo sviluppo di un organismo. ▪ Cellule Germinali: unità di base della riproduzione sessuata (spermatozoi e uova). ▪ Cellule Somatiche: cellula di un organismo che non fa parte della linea germinale.  ▪ Genoma: tutte le sequenze di acido nucleico che costituiscono il patrimonio genetico di un organismo. ▪ Cromosoma: unità discreta del genoma che contiene numerosi geni in sequenza lineare. ▪ Gene: unità funzionale dell’ereditarietà. ▪ Mutazione: cambiamento permanente nella sequenza nucleotidica del DNA, capace o meno di esercitare un’influenza sul fenotipo. ▪ Locus: segmento di DNA che occupa una specifica posizione su un cromosoma. ▪ Allele: versione alternativa di un gene ad un determinato locus. Le Leggi di Mendel Prima di Gregor Mendel (1822-1884), si credeva all’ereditarietà per mescolanza dei caratteri. I risultati degli esperimenti effettuati a partire dalla metà del 1800 da Mendel con incroci di piante di pisello (Pisum sativum) erano però in netto contrasto con tale ipotesi. Il primo risultato importante di Mendel fu la scoperta della dominanza. Cosa succede quando una pianta alta viene incrociata con una bassa? Ci si potrebbe aspettare una pianta di medie dimensioni ed invece tutti gli ibridi erano alti. Mendel espresse il concetto che l’altezza era dominante sulla bassa statura. Il tratto della bassa statura fu quindi definito recessivo. In tutti gli esperimenti di Mendel un tratto fu trovato dominante su un altro definito come recessivo. I Legge di Mendel: principio dell’uniformità della prima generazione ibrida Dall’incrocio tra individui che differiscono per un carattere, appartenenti a linee pure, si ottiene una prima generazione filiale (F1) costituita da individui tutti uguali fra loro, che manifestano il carattere di uno dei due genitori. Quando gli ibridi vengono sottoposti all’autoimpollinazione, circa 1/4 delle piante che nascono sono corte. Continuando con gli incroci Mendel notò che alla generazione F2 ricompariva il carattere parentale scomparso alla generazione F1. Inoltre il carattere manifestato nella F1 compariva sempre nella F2 con una frequenza di circa tre volte quella dell’altro carattere. C’è qualcosa nel polline e nelle uova che determina l’altezza delle piante di pisello. Questo “qualcosa” lo possiamo chiamare GENE. Ciascun grano di polline e ciascun uovo hanno un gene responsabile per l’altezza. Quindi essendo la pianta formata dall’unione di polline e uovo ne avrà due: uno derivante dal polline ed uno derivante dall’ uovo. Ogni gene (ad esempio quello della statura) può quindi essere rappresentato da due tipologie diverse denominate Alleli.Un allele A (grande) è responsabile per l’alta Statura, l’altro allele a (piccolo) è responsabile per la bassa statura. Quando uova e polline si uniscono, ci sono 4 possibilità: Le diverse possibilità sono riassunte nel Quadrato di Punnett. Tutte le possibili generazioni sono rappresentate nei riquadri piccoli. II Legge di Mendel: Principio della segregazione I caratteri sono controllati da coppie di fattori che segregano l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti e passano, separati, in gameti diversi; di conseguenza i caratteri controllati da questi fattori segregano e si manifestano in rapporti numerici definiti e costanti. Infine Mendel incrociò piante che differivano solo per due caratteristiche - ad esempio una pianta alta con grani lisci - ed una bassa con grani rugosi. Per quanto riguarda l’autoimpollinazione degli ibridi: se la distribuzione dei geni per l’altezza e la superficie dei grani di piselli avviene in maniera indipendente tutte le seguenti diverse possibilità saranno equamente possibili. Mendel osservò un rapporto di 9:3:3:1. Questo esperimento ed altri con combinazioni differenti provarono il principio della distribuzione indipendente: gli Alleli di un gene si distribuiscono indipendentemente dagli alleli di un altro gene (anche se ci sono eccezioni a questa regola). III Legge di Mendel: Principio dell’assortimento indipendente Quando si incrociano individui che differiscono per due coppie di alleli, che controllano due caratteri, ciascuna coppia viene ereditata indipendente dall’altra. Mitosi Detta anche Cariocinesi, è il processo con cui si indica la divisione cellulare delle cellule eucariotiche, seguite dalla divisione del citoplasma (citodieresi). Tale complesso (mitosi e citodieresi) costituiscono la Fase M del ciclo cellulare, cioè la fase in cui una cellula eucariotica si divide in 2 cellule figlie. La mitosi realizza la separazione dei cromatidi fratelli di ciascun cromosoma in modo tale che ciascuna cellula figlia possa ricevere il corretto quantitativo di DNA. Una cellula umana che si presenta all’inizio della mitosi con 46 cromosomi dicromatidici, produce al termine del processo 2 cellule figlie, ciascuna con 46 cromosomi monocromatidici. Meiosi È un processo di divisione cellulare (significa diminuzione dal greco), in cui a partire da una cellula madre si formano 4 cellule figlie, tutte diverse tra loro e con la metà del patrimonio genetico della cellula madre. Scopriamo insieme i due tipi di meiosi, le differenze con la mitosi e il funzionamento del processo. MEIOSI 1: Funzioni della meiosi: riproduzione ⇒ la meiosi ha un ruolo centrale nella gametogenesi: infatti, siccome nella riproduzione sessuata avviene una fusione tra il gamete maschile e quello femminile, è necessario che i gameti (con un numero n cromosomi ⇒ aploidi) abbiano la metà del corredo cromosomico di una cellula somatica (con 2n cromosomi ⇒ diploidi), di modo che fondendosi formino uno zigote con il patrimonio genetico completo (n+n=2n), di cui la metà di origine paterna e l’altra materna. La meiosi interessa unicamente le cellule riproduttive. La meiosi è formata da 2 divisioni cellulari successive, senza che tra le due avvenga la duplicazione del DNA: 1. Riduzionale: riduce il numero di cromosomi della cellula da 2n (diploide) a n (aploide); 2. Equazionale: lascia inalterato il numero di cromosomi. cellula diploide ⇒ n coppie di cromosomi omologhi, cioè che portano gli stessi caratteri. cellula aploide ⇒ n cromosomi. MEIOSI 2: È sostanzialmente uguale alla mitosi, ma con un corredo cromosomico dimezzato. Al termine del processo si formano 4 cellule figlie, tutte diverse tra loro e aploidi, cioè con un patrimonio genetico dimezzato rispetto alla cellula madre. Quindi nella meiosi a partire da una cellula diploide si formano 4 cellule aploidi, tutte diverse fra loro. Crossing-over ⇒ scambio di materiale genetico (di tipo chimico) tra cromosomi omologhi. Il crossing-over aumenta moltissimo la variabilità genetica, ricombinando casualmente il materiale genetico. Le conseguenze genetiche della meiosi sono: 1. Riduzione del numero dei cromosomi da diploide ad aploide, fase essenziale nella formazione dei gameti. 2. Segregazione degli alleli, sia durante la prima divisione meiotica che durante la seconda, in base alla seconda legge di Mendel. 3. Rimescolamento del materiale genetico attraverso l’assortimento casuale degli omologhi, in base alla terza legge di Mendel. 4. Ulteriore rimescolamento del materiale genetico attraverso crossing over, presumibilmente sviluppatosi come meccanismo per aumentare sostanzialmente la variabilità genetica. MITOSI E MEIOSI: LE DIFFERENZE Mitosi: si effettua nelle cellule somatiche dell’organismo le due cellule figlie hanno lo stesso numero di cromosomi i cromosomi si comportano indipendentemente l’uno dall’altro le cellule figlie hanno lo stesso patrimonio genetico si svolge in un lasso di tempo breve, circa 1-2 ore Meiosi: si effettua nelle cellule riproduttive dell’organismo si ha una produzione di cellule aploidi i cromosomi hanno una relazione meccanica tra loro mediante il crossing-over le cellule derivate hanno diverso patrimonio genetico, causa la migrazione dei cromosomi e il crossing-over si svolge in un periodo piuttosto lungo Classificazione Malattie Genetiche ▪ Malattie Monogeniche (Mendeliane): → dovute alla mutazione in un singolo gene → rare (se prese individualmente) → alto rischio di ricorrenza familiare → pattern di ereditarietà (modalità di trasmissione) facilmente riconoscibile → 7000 entità riconosciute → 3000 con difetto biochimico conosciuto → Diagnosi molecolare e prenatale disponibile per molte ▪ Malattie Cromosomiche (anomalie di numero e di struttura): → dovute alla deficienza o all’eccesso di interi cromosomi o frammenti di cromosomi → sono rare se prese individualmente (tranne la trisomia 21 che è frequente) → rischio di ricorrenza familiare molto variabile secondo il tipo → sintomi frequenti: ritardo mentale, bassa statura, segni dismorfici → frequente causa di aborto spontaneo ▪ Malattie Multifattoriali (poligeniche): → Dovute al coinvolgimento di più geni → Molto frequenti → Comprendono vari tipi di malformazioni congenite e malattie frequenti nell’adulto → Interazione con l’ambiente  → Basi molecolari e meccanismo patogenetico ancora poco noti → Predisposizione a sviluppare determinate patologie ▪ Malattie da difetto delle cellule somatiche: → Colpiscono di solito un unico tipo cellulare → Sono dovute in molti casi ad una mutazione ereditata attraverso le cellule germinali (predisposizione) + una mutazione nelle cellule somatiche (second hit) → Provocano vari tipi di cancro ▪ Malattie mitocondriali: → Dovute a mutazioni del genoma mitocondriale → Sono trasmesse esclusivamente per via materna L’albero Genealogico La fase centrale della consulenza Genetica è quella costruzione dell'albero genealogico, che fornisce un'immediata visione dell'anamnesi familiare che è spesso la chiave per determinare il rischio genetico. Per la costruzione di un albero genealogico si utilizzano dei simboli convenzionali che sono uguali per tutti genetisti del mondo: le generazioni sono numerate con i numeri romani con le generazioni più anziane in alto e le più giovani in basso; le persone, nell'ambito di ogni generazione, sono numerate da sinistra verso destra, con numeri arabi. I fratelli sono di solito elencati in ordine di nascita con il più anziano verso sinistra. Così ogni membro dell'albero genealogico può essere identificato facilmente da due numeri: 1. numero della generazione 2. numero nell'ambito della stessa generazione Le basi genetiche dell’eredità I caratteri ereditari sono portati dal DNA che è contenuto all’interno del nucleo e dei mitocondri. Il DNA è il materiale genetico; dagli anni ’20 si è scoperto che i cromosomi erano composti da DNA e proteine. Il DNA appariva semplice, privo di variabilità, mentre le proteine erano note come una categoria di molecole molto diverse tra loro. È un polimero organico a doppia catena i cui monomeri sono chiamati nucleotidi (desossiribonucleotidi). I nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: 1. un gruppo fosfato 2. uno zucchero (il deossiribosio) 3. una base azotata, legata al glicide con un legame N-glicosidico. Le basi azotate che entrano nella formazione dei nucleotidi sono quattro: → adenina → timina → citosina → guanina (nell'RNA al posto della timina è presente l'uracile). La doppia catena polinucleotidica del DNA ha struttura antiparallela, spiralizzata e complementare poiché le basi azotate di una catena si accoppiano con l'altra con legami idrogeno secondo lo schema: A-T e G-C. Il Gene (dal greco “nascita”) è l’unità dell’ereditarietà Mendeliana, responsabile della presenza di un carattere. È un segmento di DNA che rappresenta un’unità funzionale e contiene l’informazione necessaria per la sintesi di una proteina specifica. I geni vengono “TRASCRITTI” in un altro acido nucleico: l’RNA (acido ribonucleico) L’RNA dirige la sintesi di una proteina. È una macromolecola polimerica costituita da una catena di nucleotidi, ma a differenza del DNA è formato in prevalenza da un singolo filamento ripiegato su sé stesso. La Trascrizione è il processo che porta alla sintesi di un filamento di RNA complementare ad un filamento stampo di DNA. La Timina nell’RNA è sostituita dall’Uracile. Il Promotore è una sequenza di basi localizzata all’estremità 5’ di un gene. → determina il sito d’inizio della trascrizione → è un elemento fondamentale (ma non l’unico) per la regolazione della trascrizione e cioè determina: - quando è espresso un gene - quanto è espresso - dove è espresso Lo Splicing è una modifica del nascente pre-mRNA che avviene insieme o dopo la trascrizione, nella quale gli introni sono rimossi e gli esoni vengono uniti. Ciò è necessario per il tipico RNA messaggero prima che possa essere usato per produrre una corretta proteina tramite la traduzione o sintesi proteica. Negli eucarioti superiori la maggioranza dei geni sono fatti da un’alternanza di esoni (rappresentati nel prodotto finale dell’RNA) ed introni (rimossi dal trascritto iniziale). Le sequenze esoniche si presentano nello stesso ordine nel gene e nell’RNA, ma il gene è più lungo del suo prodotto finale di RNA a causa della presenza degli introni. Gli introni vengono rimossi dal processo di splicing dell’RNA che si verifica sulla singola molecola di RNA. Il Codice Genetico, che permette la traduzione dalla sequenza di nucleotidi alla sequenza di amminoacidi, è stato identificato e decifrato da Marshall Nirenberg nel 1961. È costituito da unità di lettura definite CODONI; un Codone è una tripletta di basi; un codone corrisponde a 1 aminoacido. Il T-RNA detto RNA di trasporto, traduce i codoni dell’mRNA negli amminoacidi che costituiscono le proteine. Il tRNA ha una forma ripiegata e porta a una estremità una tripletta di basi chiamata anticodone. Ciascun anticodone è complementare a uno specifico codone. Sull’altra estremità si trova un sito di legame per l’amminoacido codificato dal codone, che andrà ad aggiungersi alla catena polipeptidica in crescita nel ribosoma. La Traduzione è il processo mediante il quale mRNA, ottenuto dal DNA nella fase di trascrizione assieme agli rRNA e ai tRNA, viene espresso in proteine, ossia l’informazione genetica del DNA viene decodificata su specifici apparati proteici, i ribosomi, per ottenere la sintesi proteica. Variabilità genetica e mutazioni Il DNA è identico per tutte le cellule di un individuo: La sequenza del DNA nucleare tra due individui scelti a caso è identica per circa il 99,9%. La piccola frazione di DNA differente è responsabile della variabilità tra gli uomini geneticamente determinata. Alcune differenze non hanno alcun effetto, altre sono responsabili di malattie. Tra questi due estremi c’è la variazione responsabile della variabilità fenotipica tra individui. Mutazione Genetica Modificazione trasmissibile e permanente della sequenza del DNA. Le mutazioni sono alla base della evoluzione ma anche delle malattie. Si definisce mutazione qualunque cambiamento nella sequenza nucleotidica o nell’organizzazione del DNA. Una mutazione è una variazione ereditabile. Si possono classificare secondo diversi criteri: - Spontanee/indotte - Somatiche/germinali - Piccola/larga scala - Frequenti/rare - Patogeniche/non patogeniche Meccanismi delle mutazioni geniche Si distinguono in: ▪ Errori di replicazione del DNA: la DNA polimerasi fa un errore ogni 103 coppie di basi. Il meccanismo di correzione delle bozze fa un errore ogni 106, quindi al netto della riparazione l’errore è di 1/109, (genoma umano aploide: 3.2x109 bp) ▪ Mancato riparo del danno al DNA: il danno al DNA indotto da processi chimici spontanei (depurinazione, demetilazione, deaminazione) o da mutageni può non essere sempre riparato con la stessa efficienza. Mutazioni umane (classificate per tipo cellulare) 1. GERMINALI: colpiscono la linea germinale, sono trasmissibili alla progenie. 2. SOMATICHE: colpiscono tutte le altre cellule dell’organismo, si trasmettono alle generazioni cellulari successive ma non alla progenie. Mutazioni umane (classificate per dimensioni) 1. GENICHE: alterazioni della sequenza dovute a modifiche di una o poche coppie di basi (mutazioni puntiformi). 2. CROMOSOMICHE: alterazioni della struttura dei cromosomi. 3. GENOMICHE: alterazioni del numero dei cromosomi. Mutazioni umane (classificate per frequenza) 1. FREQUENTI o POLIMORFISMI: varianti alleliche con frequenza > 1%, generalmente non patogeniche. 2. RARE: varianti alleliche con frequenza ≤ 1%, la maggior parte delle mutazioni patogeniche sono rare. Mutazioni Puntiformi Sono modifiche di una singola coppia di basi o di un piccolo numero di basi adiacenti; si distinguono in: ▪ Sostituzione. Sono composte in ✓ Transizione: Purina sostituita con purina; Pirimidina sostituita con pirimidina. ✓ Transversione: Purina sostituita con pirimidina; Pirimidina sostituita con purina. ▪ Inserzione o delezione.  ▪ Inversioni. Sono segmenti di DNA (da poche basi fino a diverse mega-basi) che si presentano in orientamento inverso. Mutazioni in regioni non codificanti Sono Mutazioni che alterano trascrizione e processamento dell’RNA: alterano i siti di splicing, la stabilità dell’mRNA (nelle regioni trascritte e non tradotte al 5’ o 3’) oppure la trascrizione (nel promotore). 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 noncodificante di un gene. Esempio più noto: Còrea di Huntington Effetti di una mutazione genica Si distinguono in: 1. PERDITA DI FUNZIONE - LOSS OF FUNCTION (LOF). Aboliscono la funzione. Sono generalmente di vario tipo e distribuite lungo tutto il gene (in genere recessive). Possono determinare una perdita di funzione totale o parziale, che di solito determina la severità del fenotipo. 2. ACQUISIZIONE DI FUNZIONE - GAIN OF FUNCTION (GOF). Aumentano la normale funzione o addirittura conferiscono una nuova caratteristica. Cadono in genere negli stessi residui amminoacidici di una proteina, quindi quando vediamo che uno stesso fenotipo è prodotto da una stessa mutazione in eterozigosi possiamo pensare che abbia un effetto GOF (in genere dominanti). 3. ESPRESSIONE ECTOPICA. Determinano l’espressione del gene in una tempistica o in una localizzazione errata. In genere interessano regioni regolatorie (il cancro è il tipico esempio). Fenomeno del DOSAGGIO GENICO Esiste per i seguenti motivi: - piccole quantità di un enzima sono sufficienti a garantire una normale funzionalità cellulare. - proteine che fanno parte di un sistema di segnale quantitativo. - proteine che competono per un processo metabolico o di sviluppo. - proteine che interagiscono con una determinata stechiometria (i.e. alfa e beta globine). - la proteina è richiesta in grosse quantità. I modelli di trasmissione ereditaria La Malattia Genetica è una patologia causata da una mutazione ereditata o acquisita. Le più diffuse sono quelle dovute a mutazioni nei geni codificanti proteine. Tali malattie si classificano in: 1. Malattie Monogeniche (Mendeliane) 2. Malattie Multifattoriali 3. Malattie da Mutazioni nel genoma Mitocondriale 4. Malattie Cromosomiche (anomalie di numero e di struttura) 1. Malattie Monogeniche Sono definite Mendeliane perché si manifestano secondo frequenze fisse e prevedibili, sono determinate da alleli in un singolo locus e la singola mutazione determina molteplici effetti fenotipici (pleiotropia). Nell’uomo sono note più di 1000 malattie monogeniche. Dominante e Recessivo si riferiscono al fenotipo clinico associato ad un particolare allele. Si suddividono in: → Autosomiche Dominanti → Autosomiche Recessive → Legate all’X Dominanti → Legate all’X Recessive → Legate all’Y → Malattie Autosomiche Dominanti Il fenotipo degli eterozigoti è indistinguibile da quello degli omozigoti affetti (AA, Aa: affetti; aa: normale). Ogni individuo malato ha, di regola, un genitore affetto ed ha il 50% di possibilità di trasmettere il carattere alla prole.  ▪ Sono affetti sia maschi che femmine. ▪ «Trasmissione Verticale»: la malattia è trasmessa di generazione in generazione. ▪ Il genitore affetto trasmette la malattia al 50% dei figli. ▪ I figli sani di soggetti affetti avranno solo figli sani. ▪ Gli individui affetti sono generalmente eterozigoti, gli omozigoti sono molto più rari. ▪ Un individuo affetto ha spesso uno dei due genitori affetto. Per quanto riguarda l’Ereditarietà Autosomica Dominante, se un genitore è normale (bb) e l’altro è affetto (Bb) da una malattia autosomica dominante il 50% dei figli sarà eterozigote affetto (Bb) ed il 50% sarà omozigote normale (bb). Se entrambi in genitori sono affetti (Bb) da una malattia autosomica dominante, il 75% dei figli sarà affetto (BB o Bb) ed il 25% sarà omozigote normale (bb). Nota: è raro che un individuo affetto da una malattia autosomica dominante sia omozigote per il gene che dà la malattia. Le Mutazioni si distinguono in: Loss of function. Il prodotto genico ha una funzione ridotta o nulla. Gain of function. Il prodotto genico acquisisce una nuova funzione. Le malattie dominanti sono in genere causate da mutazioni da Gain of function.  Ipercolesterolemia Familiare - È una forma di iperlipidemia. - È riscontrata in circa 5% dei pazienti con ipercolesterolemia. - Più frequentemente causata da mutazioni nel low-density lipoprotein (LDL) receptor. - Aumentato rischio di infarto miocardico ed aumentati livelli di colesterolo plasmatico trasportato da LDL. - Genetica: 4 geni responsabili tutti coinvolti nella funzione o nei livelli di LDL. Le manifestazioni cliniche che riguardano l’ipercolesterolemia sono: - Aterosclerosi prematura (accumulo di colesterolo da parte dei macrofagi nelle arterie) e aumentato rischio di infarto negli eterozigoti ed omozigoti portatori dell’allele mutato. - Segni tipici: xantomi (depositi di colesterolo in pelle e tendini) e prematuro arcus corneale (depositi di colesterolo nella zona periferica della cornea). - Tratto semi-dominante: sia i portatori eterozigoti che gli omozigoti mostrano manifestazioni cliniche. Acondroplasia - Caratteristiche: Forma di displasia ossea che risulta in bassa statura disarmonica per maggior coinvolgimento degli arti rispetto al tronco, senza disabilità intellettiva. - Incidenza: 1: 26.000 - 1: 28.000. - Genetica: Autosomica dominante, fenotipo più severo negli omozigoti rispetto agli eterozigoti. Circa l’80% dei pazienti sono mutazioni «de novo». - Difetto molecolare: Mutazione specifica (G1138A) nel gene FGFR3 (recettore del fattore di crescita dei fibroblasti). - Patogenesi: «Gain-of-function» con «ligand-independent activation» dell’attivita’ tirosino- chinasica di FGF3 (maturazione ossea precoce). Gli aspetti clinici sono i seguenti: - Arti rizomelici e con lieve curvatura. - Brachidattilia. - Lordosi lombare. - Macrocefalia e bozze frontali. - Ipoplasia medio-facciale, ponte nasale piatto e mandibola larga. - Problematiche ortopediche e polmonari a lungo termine. → Malattie Autosomiche Recessive Il fenotipo degli eterozigoti è indistinguibile da quello degli omozigoti normali (AA, Aa: normale; aa: affetto). Il gene malato può manifestarsi a livello fenotipico solo allo stato omozigote e generalmente la mutazione è da loss-of-function. ▪ Sono affetti sia maschi che femmine. ▪ «Trasmissione orizzontale»: salti generazionali. ▪ L’individuo affetto ha di solito entrambi i genitori sani. ▪ Entrambi i genitori sono portatori (eterozigoti) e trasmettono la malattia al 25% dei figli. ▪ Più frequente tra consanguinei e piccole comunità isolate. Per quanto riguarda l’ereditarietà autosomica recessiva, se un genitore è normale (AA) e l’altro è portatore (Aa) di una malattia autosomica recessiva, il 50% dei figli sarà omozigote normale (AA) ed il 50% sarà portatore eterozigote (Aa). Non vi sono figli affetti. Se entrambi in genitori sono portatori sani (Aa), il 25% dei figli sarà omozigote normale (AA), il 50% sarà eterozigote non affetto (Aa) ed il 25% sarà omozigote affetto (aa).  Se un genitore è portatore sano (Aa) e l’altro è affetto (aa), allora il 50% dei figli sarà eterozigote non affetto (Aa) e l’altro 50% sarà omozigote affetto (aa). Fibrosi cistica (mucoviscidosi) - Frequenza di 1/3000. - Aspettativa di vista media superiore ai 40 anni. - Causata da mutazioni a carico della proteina CFTR. - Perdita progressiva della funzione respiratoria, insufficienza pancreatica con malassorbimento, ileo da meconio, ostruzione intestinale distale, cirrosi biliare, diabete e osteoporosi in età avanzata, infertilità. - Test del sudore (dosaggio del cloro) Il GENE CFTR (Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator): ✓ ha 27 esoni e si estende per circa 190 kb (braccio lungo cromosoma 7); ✓ ha due domini transmembrana, due ”nucleotide binding domains” (NBD1 e NBD2) ed un dominio regolatorio;  ✓ funziona da canale del cloro attivato da cAMP; ✓ funziona da canale ionico che, nella membrana apicale di vari tipi di epiteli, media la secrezione di Cl- e HCO3-; ✓ nelle vie aeree la secrezione ionica è importante per la corretta idratazione, la regolarizzazione del pH del fluido periciliare, la clearance mucociliare, l'attività antibatterica innata. ✓ Ci sono circa 2000 mutazioni a carico del gene CFTR: 5 classi in base al meccanismo con il quale compromettono la sintesi, maturazione e funzione di CFTR; eterogeneità allelica e geni modificatori. Molte mutazioni sono «druggable». La Malattia polmonare nella FC è dovuta da un difetto di secrezione anionica che causa: ✓ Disidratazione e acidificazione della superficie delle vie aeree. ✓ Compromissione della funzione mucociliare e delle difese antimicrobiche. ✓ Infezione cronica da batteri resistenti ad antibiotici. ✓ Infiammazione e ostruzione delle vie aeree da muco. ✓ Trapianto di polmone spesso necessario nelle fasi avanzate. La Terapia nella Fibrosi Cistica prevede: ✓ Mucolitici ✓ Terapia antibiotica ✓ Terapia supporto ✓ Drenaggio muchi ✓ Nuovi approcci farmacologici e terapia genica: farmaci correttori (per le mutazioni di classe I e II) e potenziatori (III-IV-V classe). ✓ Mutazione classe 3 Gly551Asp: target del farmaco ivacaftor efficace nel correggere la funzione di trasporto del cloro della proteina mutata. Non è una cura, ma migliora la qualità di vita dei pazienti. Fenilchetonuria (PKU) - Malattia metabolica ereditaria autosomica recessiva. - Incidenza: 1:10.000. - Mutazioni nel gene PAH (Fenilalanina idrossilasi) che converte la fenilalanina in tirosina. - I pazienti non possono degradare la fenilalanina che si accumula nei fluidi corporei e danneggia il sistema nervoso centrale. - Screening neonatale. -Approcci terapeutici: dieta povera di proteine animali e vegetali. → Malattie legate all’X Nella specie umana sono presenti 44 autosomi e 2 cromosomi sessuali che determinano il sesso. Il sesso maschile è determinato dalla presenza del cromosoma Y ed i maschi vengono anche detti EMIZIGOTI. L'eredità dei caratteri presenti sul cromosoma X è quindi legata al sesso. I maschi hanno 1 solo allele e le femmine 2. I maschi malati non trasmettono MAI la X ai figli maschi. Il maschio trasmette la Y al figlio maschio. I maschi malati passano la X con la mutazione a tutte le loro figlie femmine. Le femmine che hanno la mutazione passano la X a metà dei figli maschi e a metà delle figlie femmine. Gli altri figli ereditano l’altro cromosoma X senza mutazione. Malattie legate all’X recessive ▪ Mai trasmissione maschio-maschio. ▪ Incidenza maggiore nei maschi. ▪ Le femmine eterozigoti potrebbero presentare un quadro clinico variabile per l’inattivazione dell’X. ▪ Tutti i figli maschi dei maschi affetti sono sani e 100% delle figlie femmine sono portatrici. ▪ Una femmina portatrice ha un rischio del 50% di avere figli maschi affetti e del 50% di avere figlie femmine affette. Distrofia muscolare di Duchenne - Caratteristiche: progressiva debolezza muscolare, pseudoipertrofia dei polpacci, età di insorgenza a 3-4 anni. Difficoltà respiratorie e dell'attività cardiaca. Letale tra 10 e 20 anni. - Incidenza: 1:3000 maschi - Genetica: legata all’X recessiva, circa 1/3 dei pazienti sono nuove mutazioni. - Difetto molecolare: Mutazioni di vario tipo (60% delezioni) del gene DMD, il gene più grande del genoma umano (2 megabasi). Variante allelica più lieve: Distrofia di Becker. - Patogenesi: perdita di funzione del gene DMD che codifica per la distrofina, una proteina strutturale del muscolo, con conseguente degenerazione muscolare. La distrofina è una proteina, parte importante di un complesso di proteine che connette il citoscheletro di una fibra muscolare alla matrice extracellulare circostante attraverso la membrana cellulare. Malattie legate all’X dominanti ▪ Mai trasmissione maschio-maschio. ▪ Affetti sia maschi che femmine. ▪ Il 100% delle figlie di un padre affetto sono affette. ▪ Una madre affetta ha un rischio del 50% di avere figli affetti (sia maschi che femmine). Ci sono pochi esempi di malattie dominanti legate al cromosoma X: Rachidismo ipofosfatemico - Ipofosfatemia- bassi livelli di fosfato nel sangue. - Rachitismo-ammorbidimento delle ossa dovuto ai bassi livelli di fosfato. - Bassa statura - Formazioni ossee sulla gabbia toracica - 1/3 problemi di udito - Dolori ossei - Problemi alle giunture - Fenotipo variabile Oral-facial-digital syndrome (OFDI) type I - OFDI è caratterizzata da malformazioni della faccia, della cavita orale e delle dita. Altre caratteristiche sono i reni policistici, anomalie a pelle e capelli. - Ereditarietà X-linked dominante letale nei maschi. Sindrome di Rett - Una delle più comuni forme di ritardo mentale nelle femmine - Regressione dopo il primo anno di vita - Microcefalia - Atassia - Tremori - Crisi di apnea - Movimento stereotipato delle mani - Comportamento autistico - Mutazioni nel gene MECP2 (Methyl-CPG-binding protein) che ha un ruolo importante nella regolazione della trascrizione. - Nei maschi (emizigoti) non è compatibile con la vita. - Raro mosaicismo somatico. Malattie legate all’Y Sono molto rare; sull’Y sono presenti 48 geni e solo gli individui maschi sono affetti. Vi è trasmissione diretta padre-figlio ed i figli affetti hanno sempre un padre affetto, a meno di una mutazione de novo. Un esempio è l’orecchio peloso. Estensioni dell'ereditarietà mendeliana Eterogeneità genica (o di locus) Lo stesso fenotipo può risultare da mutazioni in uno o più loci doversi (mutazioni in geni che codificano per diverse unità o subunità di una proteina, o per proteine che interagiscono con altre proteine, o che agiscono a stadi diversi di un processo metabolico). Complementazione: il gene A e il gene B funzionano separatamente ma agiscono sullo stesso pathway → fenotipo Epistasi: il gene A controlla l’azione del gene B → fenotipo Eterogeneità allelica Lo stesso fenotipo causato da mutazioni diverse nello stesso gene comune perché molte malattie sono causate da mutazioni che inducono una perdita di funzione (ogni mutazione che impedisce la produzione o la funzione del prodotto genico). Esempi: ipercolesterolemia familiare: varie mutazioni a livello del gene del recettore lipoproteina a bassa densità (LDL) provocano la perdita di recettori funzionali con conseguente accumulo di colesterolo. Penetranza incompleta Per Penetranza si intende la probabilità che un carattere si manifesti dato un certo genotipo. Nel Carattere DOMINANTE: si esprime nell’eterozigote (100% penetranza). Nel Carattere RECESSIVO: non si esprime nell’eterozigote (0% penetranza). Si parla di Penetranza Incompleta quando alcuni caratteri dominanti possono non manifestarsi in parte degli individui eterozigoti o omozigoti. La penetranza si misura come percentuale di individui che mostrano il carattere. = 100% penetranza completa < 100% Penetranza incompleta o ridotta Alcuni caratteri che saltano una generazione per ripresentarsi nella successiva non sono recessivi, ma dominanti a penetranza incompleta. Insorgenza Tardiva Alcune malattie genetiche non sono congenite, MA si presentano in età avanzata. La penetranza potrebbe essere legata all'età. Esempio: Corea di Huntington (neuro-degenerazione progressiva) con esordio a 30-45 anni. Espressività variabile Lo stesso fenotipo si può manifestare con differenti gradi di severità (ad esempio la Neurofibromatosi). Si hanno manifestazioni parziali di un fenotipo complesso, come ad esempio la SINDROME DI STICKLER (Mutazioni del collagene). Presenta le seguenti manifestazioni cliniche: - Miopia - Distacco di retina - Mento piccolo e palatoschisi - Sordità - Artrite - Prolasso della valvola mitrale Le Cause sono dovute a: influenza di altri geni e fattori ambientali. Malattie con mutazioni de novo Un esempio è il Retinoblastoma, una neoplasia embrionale di origine retinica. Presenta le seguenti caratteristiche: - 1:20,000 - 40% familiare (AD), il resto è sporadico - Il 10% degli eterozigoti obbligati non presenta tumori, per cui è un tratto a penetranza del 90%. Mosaicismo Il l mosaicismo è una condizione in cui un individuo è composto da cellule diverse. Le mutazioni de novo generano mosaicismo La mutazione può avvenire in qualsiasi momento della vita post-zigotica (somatica o germinale). Il Mosaicismo epigenetico è dovuto dall’inattivazione dell’X. L’inattivazione randomica di uno dei due cromosomi X femminili genera il pattern di ereditarietà X - linked Mendelian. Esempi di patologie di questo genere sono: La Chimera in cui si ha un individuo costituito da cellule provenienti da più di uno zigote; è raro in natura e generato artificialmente: trasfusioni/trapianti, fusione tra cellule di embrioni diversi (stessa specie/specie diversa). L’Ibrido in cui si ha un individuo derivante dall’incrocio di individui (o cellule) appartenenti a specie diverse. Presenta sterilità dovuta a mancato appaiamento dei cromosomi alla meiosi. Ad esempio, il mulo è un ibrido quasi sempre sterile a causa del suo corredo cromosomico dispari e deriva dall'incrocio tra l'asino stallone con 31 coppie di cromosomi e la giumenta con 32 coppie di cromosomi. L’ibrido somatico o ibridoma è generato per fusione di cellule di specie diverse trattate con virus o glicole etilenico. Classi particolari di malattie genetiche Mutazioni instabili Nella Genetica Mendeliana classica, le mutazioni sono stabili e vengono trasmesse invariate da una generazione all’altra. Le mutazioni instabili sono dovute ad espansione di DNA ripetuto. Triplette tri-nucleotidiche in tandem sono abbastanza comuni nel nostro genoma; alcune triplette mostrano un comportamento anomalo: al di sopra di una certa soglia diventano estremamente instabili in mitosi e meiosi. L’espansione si forma durante la sintesi di DNA a causa del ripiegamento a forcina nel filamento di DNA neosintetizzato e il passaggio della DNA polimeriasi su una regione già duplicata. In particolare si suppone che questo capiti nel filamento sintetizzato in modo veloce (continuo), mediante un distacco momentaneo del neofilamento (SLIPPAGE); o nel filamento discontinuo (ritardato), mediante un errato appaiamento del frammento di Okazak. Ci dovremmo aspettare sia espansioni che riduzioni di triplette ma c’è una tendenza all’espansione. La Genetica delle Malattie da Triplette distingue: 1. Concetto di pre-mutazione: ripetute al limite superiore del normale, che di per sé non causano malattia, ma possono espandersi e diventare patogenetiche nella generazione successiva. 2. Instabilità genetica somatica e germinale: fenomeno che provoca alterazioni del corredo genetico di una cellula. 3. Anticipazione: nel corso delle generazioni, la malattia tende a manifestarsi più precocemente e con un quadro clinico più severo. La gravità è collegata al numero di ripetizioni che è instabile ed aumenta ad ogni successive replicazioni del DNA. Maggiore è il numero di triplette e maggiore è la probabilità di una ulteriore espansione. La gravità della patologia da espansione di triplette è dovuta da: - Posizione che l’espansione occupa all’interno del gene: l’espansione può essere vicino all'estremità 5’, negli introni o nelle sequenze codificanti. - Espansioni grandi o piccole determinano lo stato di pre-mutazione o mutazione. - Origine materna o paterna: la trasmissione paterna ha un rischio aumentato di espansione nel caso di malattie da poliglutamine (CAG). I casi più gravi sono ereditati dal padre. Le grandi espansioni di tripletta (distrofia miotonica e della Sindrome dell’X fragile) non vengono invece trasmesse dal padre affetto, probabilmente perché c’è una selezione a livello spermatico, per cui gli spermatozoi che hanno un più alto numero di triplette vengono eliminati. - Funzione del gene. Le Malattie da espansione di triplette si distinguono in: 1. Malattie da espansione di triplette Type I: Alleli normali tra 10-30, alleli espansi 40-200. Il tratto poliglutaminico conferisce una nuova funzione patologica alla proteina. Nelle patologie da espansione di poliglutammine vi è: - un accumulo di poliglutammine che causa una progressiva perdita di neuroni e danno neurologico. - Progressivo fenotipo neurologico dovuto a perdita di neuroni. - Sono tutte caratterizzate da un’acquisizione di funzione della proteina. - Espressione ubiquitaria, ma fenotipo selettivo, (ad esempio il tessuto neuronale si presenta più sensibile all’accumulo).  La Corea di Huntington è: - Malattia neurologica devastante dovuta alla degenerazione dei neuroni del corpo striato che porta irritabilità, depressione, demenza e induzione al suicidio (5-10% dei casi). - 1: 20,000. - Età di insorgenza intorno ai 40 anni (casi in età infantile ed oltre gli 80 anni). - Anticipazione e origine paterna delle forme più gravi. - Movimenti coreo-tossici della cornea (inconsulti e scoordinati). - Gene identificato nel 1993. - Mutazioni nel gene Huntintin, una proteina espressa in tutti i neuroni e con ruolo nella regolazione della trascrizione. - Espansioni di poliglutamine CAG causano l’acquisto di una funzione tossica per la cellula con tendenza a formare degli aggregati nucleari. 2. Malattie da espansione di triplette Type II: Alleli normali tra 5-50, 50-200 pre-mutazione, >200 stato patologico. La tripletta ripetuta inibisce l’espressione del gene causando una perdita di funzione della proteina. Mutazione al 5’, al 3’ o negli introni. La Sindrome dell’X fragile (Malattia di Martin-Bell) è: - una delle forme più comuni di ritardo mentale ereditario, e rappresenta il 15-20% dei ritardi mentali legati all’X. - Incidenza 1:4000 maschi; 1:6000 femmine. - Si trasmette come carattere legato all’X recessivo. - Mutazioni nel gene FMR1 sul cromosoma X. Il quadro clinico di tale patologia consta di: - Ritardo mentale. - Facies anormale con mandibola prominente e grosse orecchie. - Macro-orchidismo (testicoli gonfi). - Anomalie comportamentali (iperattività autismo) nei maschi. La sua variabilità fenotipica consiste in: - Dimensione della ripetuta CGG (premutazione/mutazione) - Metilazione - Inattivazione dell’X nelle femmine - Mosaicismo somatico (instabilità della ripetuta): un maschio con mosaicismo somatico avrà generalmente un ritardo mentale più lieve rispetto ad un individuo con la stessa espansione in tutte le cellule. Malattie dovute ad alterazioni dell’imprinting L’Imprinting Genomico prevede che per la maggioranza dei geni di mammifero l’espressione di un allele non dipende dal fatto che l’allele sia stato ereditato dalla madre o dal padre. Tuttavia alcuni geni sono particolari poiché l’espressione di un allele dipende dalla sua origine parentale: per alcuni geni viene espresso l’allele materno per altri quello paterno. ▪ Si definisce «imprinted» la copia del gene che non viene espressa. ▪ Può riguardare l’uno o l’atro dei corredi parentali. ▪ Modulazione dell’espressione attraverso la metilazione. ▪ Nei geni sottoposti ad imprinting sarà sempre espresso o l’allele materno o quello paterno. ▪ Ci sono circa 100-200 geni imprintati nel genoma e circa 60 possono avere un impatto sulla salute umana. ▪ Spesso coinvolti nella crescita fetale. ▪ Sono ricchi di isole CpG e presentano l’imprinting Control Region. ▪ Tendenza a formare cluster. ▪ Possono codificare per proteine o RNA non tradotti. La Sindrome di Prader-Willi presenta: - Ipotonia, debole succhiatura - Testicoli ritenuti, labbra ipoplastiche - Iperfagia, obesità - Facies: stretto diametro bitemporale, occhi a mandorla, strabismo - Bassa statura, piccole mani e piedi - Capelli chiari e ipopigmentazione - Ritardo mentale medio. La Sindrome di Angelman presenta: - Inappropriati accessi di riso - Andatura atassica - Epilessia. - Facies: bocca larga, lingua protrusa, labbro superiore sottile, mandibola prominente - Ipopigmentazione - Ritardo mentale grave con assenza di parola Entrambe le sindromi sono dovute ad anomalie della stessa regione del cromosoma 15(delezione 15q11-q13). Le Patologie da Imprinting Genomico si distinguono in: 1. Disomia uniparentale: Presenza di due copie dello stesso cromosoma ereditate dallo stesso genitore, mentre nessuna viene dall’altro genitore. Ciò è molto raro e si pensa che tale meccanismo sia coinvolto nel salvataggio dalla trisomia; ossia in uno zigote iniziale con una trisomia (3 copie invece di 2 di un particolare cromosoma) potrebbe accadere che uno dei 3 cromosomi venga perso, un processo che porterebbe alla disomia uniparentale quando i 2 cromosomi che rimangono derivano dallo stesso genitore (in circa un terzo dei casi). Se i duplicati dello stesso cromosoma (isodisomia) contengono un allele anomalo per una malattia autosomica recessiva, la persona affetta può avere una malattia autosomica recessiva anche se soltanto uno dei due genitori è portatore. La disomia uniparentale può causare un disturbo di imprinting quando il cromosoma disomico causa la perdita di un'adeguata espressione di una regione per l'imprinting. Malattie dovute a mutazioni del Genoma Mitocondriale I Mitocondri sono gli organuli deputati alla respirazione cellulare aerobica (Combustione di glucosio fino a CO2 + H2O con produzione di ATP). Si trovano in tutte le cellule eucariotiche ed hanno lunghezza 2-8μm. Possono cambiare forma e si replicano per divisione; il loro numero cambia a seconda del tipo cellulare: sono più numerosi nelle cellule metabolicamente attive (fino a 1000 negli epatociti). Nei mammiferi un mitocondrio ha 5-10 molecole di DNA circolare (1% del DNA totale) che è ipermutabile. Il Genoma Mitocondriale ha una struttura cromatinica diversa: non è protetto dagli istoni ma compattato in complessi nucleoproteici definiti nucleoidi. Non ha introni ed andando incontro a numerosissimi cicli di replicazioni è più soggetto agli errori della macchina replicativa (fonte di mutazioni anche nel nucleare). I meccanismi di riparo sono meno efficienti rispetto al DNA nucleare. Tutto cio’ fa sì che un certo numero di patologie genetiche siano originate da alterazioni della funzione mitocondriale. Le caratteristiche del DNA mitocondriale sono: 1. Poliplasmia: in ogni cellula sono presenti molti mitocondri (da 2 a 100) ed ogni mitocondrio contiene copie multiple del suo genoma → migliaia di copie mtDNA / cellula. Durante la divisione cellulare i mitocondri vengono distribuiti casualmente alle cellule figlie e quindi la genetica mitocondriale è più simile alla genetica di popolazione che alla genetica mendeliana.  2. Eteroplasmia: in tessuti normali tutte le copie di mtDNA sono identiche. Nel caso di una mutazione del mtDNA questa può colpire tutte le copie → omoplasmia oppure essere presente solo in una percentuale di genomi → eteroplasmia. Generalmente i polimorfismi neutrali sono omoplasmici mentre la maggior parte delle mutazioni-malattia sono eteroplasmiche → eteroplasmia cellulare o mitocondriale. L’eteroplasmia contribuisce notevolmente alla spiegazione della variabilità clinica Le quantità relative di mitocondri normali e mutanti possono variare da tessuto a tessuto e questo spiega in parte le differenze nell’espressione. L’Effetto soglia è l’espressione clinica delle mutazioni del mtDNA che è determinata dalla relativa proporzione wild type / mutato in un determinato tessuto; è necessario un numero minimo di copie per danneggiare il metabolismo energetico di un determinato organo o tessuto (valore relativo e non assoluto) (SNC, cuore, muscolo, rene e ghiandole esocrine) (bilancio energetico). La Segregazione Mitotica prevede che durante la divisione cellulare la proporzione di genomi mutati può variare per deriva nelle cellule figlie, con conseguente cambiamento fenotipico. 3. Eredità materna: virtualmente tutti i mitocondri dello zigote derivano dall’oocita e perciò la modalità di trasmissione delle mutazioni mt differisce dalla trasmissione mendeliana classica: - madre portatrice → trasmissione a tutta la progenie, ma solo le figlie femmine possono trasmettere la mutazione ai loro figli. - Eteroplasmia + effetto dose → eccezioni fenotipiche all’eredità matrilineare. L’eredità è matrilineare e nessun maschio affetto trasmette la malattia alla sua progenie mentre la femmina affetta trasmette la malattia a tutti i figli senza distinzione di sesso. Le basi cromosomiche dell'ereditarietà Citogenetica È una branca della genetica che studia il numero, la struttura e la funzione dei cromosomi e le loro alterazioni. I cromosomi sono organelli a bastoncino composti da filamenti di DNA contenenti i geni e proteine. I geni sono organizzati in ordine lineare lungo i cromosomi; ogni gene ha una precisa posizione definita locus: - Numero caratteristico per ogni specie. - Lunghezza e morfologia definite. - Bandeggio caratteristico. Ad eccezione della linea germinale, tutte le cellule che contribuiscono alla formazione del corpo umano sono chiamate somatiche e contengono 46 cromosomi organizzati in 23 coppie di cromosomi. - 22 coppie cromosomi autosomi - 1 coppia cromosomi sessuali (X-Y) I membri di una stessa coppia (omologhi) contengono la stessa informazione genetica. In alcuni casi in uno specifico locus le sequenze dei 2 omologhi è leggermente differente --> alleli. Gli Elementi di un cromosoma sono: 1. Centromero: è una regione strutturale nei processi di segregazione cromosomica in quanto vi si assembla una struttura proteica detta cinetocore che interagisce con i microtubuli del fuso mitotico. È la regione di appaiamento dei cromatidi fratelli fino alla separazione. La posizione del centromero costituisce una caratteristica distintiva dei cromosomi.  2. Telomero: sono elementi costituti da DNA e proteine essenziali per la stabilità dei cromosomi poiché ne proteggono le estremità da fenomeni di ricombinazione aberrante, degradazione e replicazione incompleta. I telomeri contengono sequenze TTAGGG ripetute di circa 3-20 Kb nell’uomo. Le regioni telomeriche libere al 3’ sono di circa 30-110 nucleotidi. Le modalità con cui avviene la replicazione del DNA generano un processo di accorciamento dei telomeri ad ogni duplicazione; ciò porterebbe ad un punto critico in cui verrebbe bloccata la replicazione del DNA e la cellula andrebbe incontro a morte cellulare programmata (apoptosi). La cellula è in grado di sopperire a questo “accorciamento” mediante la presenza di enzimi chiamati telomerasi che aggiungono piccole sequenze ripetute alle estremità del cromosoma. La perdita di DNA telomerico sembra correlata al processo della senescenza e la possibilità di interferire farmacologicamente con le telomerasi apre prospettive nella terapia di malattie degenerative. 3. Origine di Replicazione: i cromosomi presentano diverse origini di replicazione. Le origini di replicazione del DNA sono sequenze nucleotidiche a livello delle quali inizia la denaturazione del DNA nella fase di inizio del processo replicativo che porta alla formazione della forca replicativa. Bandeggio dei cromosomi Il bandeggio è definito come la variazione di proprietà di colorazione del cromosoma nella sua lunghezza. Utilizzando diverse metodiche di colorazione dei cromosomi è possibile osservare al microscopio ottico la produzione di un certo numero di bande, riproducibili come numero, posizione ed estensione negli stessi cromosomi di cellule diverse provenienti dallo stesso individuo. Cariotipo Indica l’assetto completo dei cromosomi di una cellula, di una specie o di un singolo organismo Il cariotipo è specie-specifico in termini di numero, morfologia dei cromosomi e contenuto di DNA. ▪ Il cariotipo di un individuo è dato dal NUMERO e dalla MORFOLOGIA dei suoi cromosomi.  ▪ La CITOGENETICA valuta lunghezza, posizione dei centromeri, pattern di bandeggio, eventuali differenze tra i cromosomi sessuali, ed eventuali altre caratteristiche fisiche. ▪ L'analisi del cariotipo (cariogramma) è una rappresentazione ordinata del corredo cromosomico di un individuo. ▪ In genere i cromosomi mostrati in un cariotipo sono metafasici, in quanto è proprio durante questa fase, dato il loro massimo grado di condensazione, che appaiono più visibili. L’analisi del cariotipo prevede: La ricostruzione del cariotipo viene effettuata mediante analizzatori di immagini. Nella descrizione del cariotipo viene indicato il numero totale di cromosomi, la specifica dei cromosomi sessuali e l’elenco di tutte le eventuali alterazioni osservate. FISH- Fluorescence In Situ Hybridization ▪ I preparati cromosomici metafasici sono trattati con una sonda di DNA marcata per consentire l’ibridazione della sonda con il DNA cromosomico. ▪ Permette la localizzazione un gene in una specifica banda cromosomica. ▪ Per rivelare: microdelezioni e traslocazioni, alterazioni telomeriche. ▪ Per identificare aneuplodie o altre alterazioni strutturali. Comparative Genomic Hybridization (CGH) ▪ Cariotipo molecolare basato sull’ibridazione comparativa del genoma basata su array. ▪ Ha il fine di identificare variazioni del numero di copie (delezioni, duplicazioni, amplificazioni) non rilevabili con altre tecniche di citogenetica convenzionale. ▪ Si basa sulla comparazione quantitativa del DNA di un individuo con un DNA controllo. ▪ Risoluzione molto elevate (100-1000 volte) rispetto al cariotipo convenzionale (microdelezioni e microduplicazioni). ▪ Permette di definire esattamente la regione genomica alterata e i geni in essa contenuti. ▪ Prevalentemente utilizzato per la diagnosi postnatale di fenotipo complessi associati a ritardo mentale, e nella diagnosi prenatale. ▪ Limite: non evidenzia traslocazioni bilanciate. Una maggiore intensità del colore del DNA test in una regione specifica indica il guadagno del materiale di quella regione nel corrispondente campione di origine. Una maggiore intensità del colore del DNA di riferimento indica la perdita di materiale nel campione in quella regione specifica. Un colore neutro indica alcuna differenza tra i due campioni in quella posizione. Cromosomopatie Sono patologie a carico dei cromosomi; possono essere causate da: ▪ Alterazione del numero dei cromosomi: Poliploidia - Le cellule somatiche normalmente sono diploidi - I gameti sono aploidi con un singolo genoma a 23 cromosomi - Le cellule poliploidi hanno più di 2 genomi completi - 1-3% delle gravidanze con embrioni triploidi - Embrioni triploidi raramente sopravvivono alla nascita Le cause sono dovute a: ✓ Dispermia ✓ Fecondazione di un gamete diploide La condizione tetraploide è più rara ed è sempre letale: dovuta ad un mancato completamente della prima divisione postzigotica (duplicazione senza divisione cellulare. Aneuploidia - Euploidia: presenza di corredi cromosomici completi. - Aneuploidia: nel corredo cromosomico ci sono uno o più copie di cromosomi. - Nullisomia: assenza di una coppia di cromosomi. - Monosomia: manca un cromosoma di una coppia. - Disomia - Trisomia: 3 copie di un cromosoma - Tetrasomia: 4 copie di un cromosoma Le cellule tumorali spesso hanno aneuploidie estreme, con molte anomalie cromosomiche. Le cause sono dovute a: ✓ Non-disgiunzione: i cromosomi omologhi appaiati non si separano in anafase I; i cromatidi fratelli non si separano alla meiosi II o in mitosi. ✓ Lag anafasico: perdita di cromosomi causata da un ritardo nel movimento del cromosoma/cromatide lungo il fuso mitotico verso uno dei 2 poli durante l’anafase (la cellula figlia sarà depleta di quel cromosoma o cromatide). La non-disgiunzione durante la meiosi produce gameti con 22 o 24 cromosomi che, in seguito a fecondazione con un gamete normale, producono uno zigote monosomico o trisomico. La maggior parte dei casi di non-disgiunzione si verifica nella madre. La non-disgiunzione durante la mitosi produce una cellula figlia monosomica ed una trisomica. Quella monosomica muore, mentre la trisomica può sopravvivere e generare una trisomia a mosaico. L’Aneuploidia consiste in 3 anomalie del numero degli autosomi compatibili con la vita: la trisomia del 21 (sindrome di Down), la trisomia 18 e la trisomia 13. Questi sono i cromosomi con il minor numero di geni tra tutti gli autosomi. Le trisomie sono associate a ritardo della crescita, disabilità intellettiva e anomalie congenite multiple. Ogni trisomia ha un fenotipo distinto e riconoscibile già in epoca neonatale. La trisomia 13 e 18 sono meno comuni del 21 e la sopravvivenza oltre il primo anno di vita è rara. Per la sindrome di Down l’aspettativa di vita media è 50 anni. Le anomalie dello sviluppo sono provocate dal dosaggio eccessivo dei geni presenti sul cromosoma aggiuntivo. Trisomia 21 - Sindrome di Down → Può essere diagnosticata alla nascita grazie alle caratteristiche facciali distintive. → Incidenza più alta nelle donne >35 anni. → 1:1000. → Alto grado di variabilità del fenotipo degli individui affetti. L’aspetto presenta le seguenti peculiarità: L’ipotonia è la prima anomali che si nota nel neonato Bassa statura e brachicefalia con occipite piatto Collo corto, eccesso di cute a livello della nuca Mani piccole e larghe e quinto dito incurvato (clinodattilia) Disabilità intellettiva evidente al primo anno di vita Malattie cardiache congenite in un terzo degli affetti Atresia duodenale e fistola tracheo-esofagea  Altre problematiche cliniche: 20% nell’infanzia disturbi comportamentali, 25% adulti disturbi psichiatrici. Atresia gastrointestinale Cataratta e glaucoma congeniti Displasia dell’anca Diabete, celiachia Alzheimer precoce Aumentato rischio di leucemie Ipoacusia trasmissiva Apnee ostruttive nel sonno Cromosomi nella Sindrome di Down: La diagnosi di sindrome di Down non presenta grosse difficoltà. Esecuzione del cariotipo per la conferma della diagnosi. 47 cromosomi, copia extra del 21. L’errore meiotico responsabile della trisomia 21 solitamente avviene durante la meiosi I materna. (90%); 10% dei casi avviene nella meiosi II del padre. Rischi nella Sindrome di Down: L'età della madre aumenta il rischio di trisomia 21 Cause nella Sindrome di Down: 94%: Non disgiunzione meiotica: trisomia libera Trisomia parziale (coinvolgente solo parte di un cromosoma) 2-4% Trisomia a mosaico (coinvolgente solo alcune linee cellulari) 3-4% Sbilanciamento di una traslocazione (più frequente traslocazione robertsoniana del cromosoma 14). La Traslocazione Robertsoniana consiste in: - Fusione di 2 cromosomi acrocentrici. - 4% dei pazienti con sindrome di Down ha 46 cromosomi, uno dei quali è il prodotto di una traslocazione robertsoniana tra il cromosoma 21q e il braccio lungo di uno degli altri cromosomi acrocentrici (14 o 22). - Nonostante i 46 cromosomi, i pazienti sono trisomici per i geni del braccio lungo 21q. Trisomia 13 - Sindrome di Patau → 1:10.000-20.000 nati. → Causata da un cromosoma 13 soprannumerario, talvolta parziale (tutte le cellule presentano una trisomia di una parte del cromosoma 13) o a mosaico (soltanto alcune linee cellulari presentano la trisomia). → 90% non-disgiunzione materna o traslocazione robertsoniana. → Solo 4% delle gravidanze arriva a termine. → Di questi, 33% muore nel primo mese, 50% nel secondo mese. L’aspetto presenta le seguenti peculiarità: Peso sotto la norma e difficolta nella suzione Oloprosencefalia, microcefalia Cecità e sordità Occhi fusi 80% labiopalatoschisi Epilessia Malformazioni cardiache Sinclinodattilia Piedi a calcagno prominente Il quadro malformativo prevede: Malformazioni cardiache (80% dei casi) Malformazioni del SNC Anomalie oculari (microftalmia, anoftalmia, displasia retinica, coloboma, cataratta, opacità corneali) Anomalie renali (displasia cistica). Trisomia 18 - Sindrome di Edwards → 1:6500. → Causata da un cromosoma 18 soprannumerario, talvolta parziale o a → mosaico. → 90% non-disgiunzione materna. → M/F= 1/4. → Solo 2.5% delle gravidanze arriva a termine. → Di questi, 33% muore nel primo mese, 50% nel secondo mese. → Oltre 100 anomalie. L’aspetto presenta le seguenti peculiarità: Peso ridotto, difficoltà nella suzione. Ipotonia. Idrocefalo, epilessia. Malformazioni cardiache. Sinclinodattilia, unghie sottosviluppate. Piedi a calcagno prominente.  Gambe incrociate. Scarsa crescita prenatale. Microcefalia. Anomalie del padiglione auricolare. Monosomia X (45, X) - Sindrome di Turner → 1:2500 → Solo 1% delle gravidanze giunge a termine → 80% dei casi errori nella spermatogenesi e non correla con l'età dei genitori → Fenotipo variabile L’aspetto presenta le seguenti peculiarità: Assenza di ovaio con amenorrea e sterilita. Linfedema con rigonfiamento di mani e piedi. Torace ampio. Pterygium del collo (corto e largo) L'ipertelorismo (distanza aumentata fra la parte interna degli occhi), bocca a V rovesciata, anomalie dentali. Alterazioni renali (rene a ferro di cavallo/agenesia, stenosi /duplicazione degli ureteri). Alterazioni cardiache. Alta predisposizione alle malattie autoimmuni. Sindrome di Klinefelter (47, XXY) → 1: 900-1:600 maschi → 50% delle gravidanze a termine → Fenotipo maschile → Uno dei 2 cromosomi X è inattivato L’aspetto presenta le seguenti peculiarità: Alta statura, spesso obesità. Ipogonadismo, bassi livelli di testosterone, mancata produzione di sperma (azoospermia) e infertilità. Ginecomastia Intelligenza e aspettativa di vita normali. Pubertà tardiva o incompleta. Scarso sviluppo dei peli su volto e corpo.  Debolezza muscolare. Ritardi nello sviluppo del linguaggio e difficoltà di lettura (dislessia) e/o Difficoltà di apprendimento. Trisomia X (47, XXX) (Femmina) → 1:1200 → 70% delle gravidanze a termine → Errore di disgiunzione materna che correla con l'età della madre L’aspetto presenta le seguenti peculiarità: Alta statura Fertilità normale, ciclo irregolare Intelligenza e aspettativa di vita normali Maschio (47, XYY) → 1:1000 maschi → Fenotipo maschile → Alta statura → Fertilità normale → Nessuna correlazione con l'età paterna → Intelligenza e aspettativa di vita normali ▪ Alterazione della struttura dei cromosomi: Le anomalie cromosomiche strutturali si distinguono in: ✓ Bilanciate se non c'è acquisto o perdita di materiale cromosomico à non hanno effetti fenotipici. Le bilanciate possono originare da una delezione o, meno frequentemente, da una duplicazione. ✓ Sbilanciate se c'è al netto acquisto o perdita di materiale cromosomico à effetto fenotipico che dipende dal materiale che è stato acquisito o perso. Delezioni - Una parte del cromosoma è mancante Delezioni- Sindrome Cri-du-chat → Delezione del braccio corto del cromosoma 5 (5p) → Il nome deriva dal fatto che nei primi mesi di vita il bambino presenta un pianto simile al miagolio dei gatti. → Ritardo di grado variabile dello sviluppo psicomotorio e cognitivo. → Microcefalia. → Animali del volto. → Difficoltà nell’alimentazione e crescita lenta. → Malformazioni renali, cardiache o intestinali. Duplicazioni - Una porzione del cromosoma viene ripetuta con conseguente materiale genetico supplementare. Delezioni- Sindrome di Charcot-Marie-Tooth di tipo 1° → duplicazione di 1.5 kb del cromosoma 17. Traslocazioni - Le sequenze di DNA si rompono frequentemente e spesso i meccanismi di riparazione ricongiunge le estremità rotte in maniera sbagliata → traslocazioni. - Frequenza nella popolazione molto elevate. - Traslocazioni reciproche o Robertsoniane. Si distinguono in: 1. Traslocazioni reciproche: i 2 cromosomi non omologhi si scambiano segmenti. In questi casi i cromosomi traslocati possono passare attraverso la a mitosi senza problemi. Se il centromero è affetto durante la traslocazione → cromosoma acentrico viene perso durante le divisioni, cromosoma dicentrico è intrappolato in cicli instabili di rottura-fusione-formazione di ponti. 2. Traslocazioni Robertsoniane: fusione di 2 cromosomi acrocentrici (centromero molto vicino alla parte terminale del cromosoma) che si rompono in corrispondenza del centromero. L’unione dei frammenti genera un nuovo cromosoma costituito dalle braccia lunghe degli elementi originali ed un cromosoma piccolo costituito dalle braccia corte che viene perduto. Le Traslocazioni robertsoniane possono coinvolgere i cromosomi 13,14,15,21 e 22. Il più comune coinvolge 13 e 1 4 (1:1300 nati) I portatori di questa traslocazione hanno un fenotipo normale ma possono avere alta probabilità di generare figli con anomalie cromosomiche. Le conseguenze della traslocazione robertsoniana in una coppia in cui un componente ne è portatore sono: infertilità, aborti ricorrenti o concepimento di un bambino con gravi disabilità intellettive e/o motorie. Il prodotto del concepimento (embrione, feto) può essere: non vitale e il suo sviluppo si arresta in utero; vitale e il nascituro svilupperà gravi anomalie con disabilità intellettive e/o motorie; vitale e con un cariotipo normale o portatore della traslocazione cromosomica bilanciata ereditata dal genitore portatore. Il suo sviluppo sarà normale. Il Cromosoma Philadelphia è una traslocazione bilanciata tra i cromosomi 9 e 22. Il gene BCR e il gene ABL si trovano fusi e danno origine ad una proteina che contribuisce all’insorgenza della patologia (Leucemia Mieloide acuta o Cronica). Inversioni Si verificano quando un segmento di un cromosoma è escisso e reintegrato nel cromosoma in orientamento opposto. Possono essere Paracentriche e Pericentriche; l’effetto fenotipico dipende dalla regione coinvolta (effetto promotore, enhancer, etc.) Isocromosoma - Cromosomi metacentrici simmetrici composti da 2 braccia lunghe o da due braccia corte di qualche particolare cromosoma formato dalla copia speculare di un segmento cromosomico, compreso il centromero. - Errore di divisione durante l’anafase. - Il cromosoma si rompe trasversalmente. Malattie complesse o multifattoriali La quasi totalità dei caratteri e delle malattie che colpiscono la specie umana ha una componente genetica. ▪ Eredità monogenica: condizioni genetiche determinate da mutazioni di un singolo gene (genetica qualitativa). ▪ Eredità poligenica: effetti genetici che risultano dall'interazione dei geni multipli. L'eredità poligenica comprende i tratti complessi che sono determinati da molti geni (genetica quantitativa). ▪ Eredità multifattoriale: multifattoriale descrive un tratto di cui le manifestazioni sono determinate da più geni + influenza di fattori ambientali. Tratti Complessi ✓ Molti tratti umani, come l'altezza, possono essere ereditati (ad es., i genitori alti tendono ad avere bambini alti) à in natura questi caratteri sono distribuiti in modo continuo (distribuzione normale). ✓ Tratti quantitativi continui. ✓ I tratti complessi sono causati da molti geni e fattori ambientali. Geni e Ambiente ✓ In una malattia monogenica, il difetto (mutazione) è sufficiente a causare il fenotipo. ✓ In una malattia multifattoriale si devono combinare gli effetti prodotti da più geni e da fattori esogeni/ambientali: ciascun gene contribuisce ma non è sufficiente a generare da solo il fenotipo malattia. Tratti Poligenici ✓ L’espressione del fenotipo dipende da più geni NON allelici (loci diversi) ognuno dei quali contribuisce in modo additivo/sinergico all’espressione del fenotipo. ✓ L’effetto dei geni è CUMULATIVO. ✓ Questi caratteri variano in maniera quantitativa nella popolazione e presentano una variabilità fenotipica continua (quantitative trait loci, QTL). ✓ Curva a campana o “normale” (o simmetrica o Gaussiana): distribuzione dei fenotipi controllati da più geni con i rispettivi alleli. ✓ In medicina è criterio comune assumere come LIMITI di NORMALITA’ il 2.5° e il 97.5° percentile della distribuzione dei dati di una popolazione sana (media ± 2 DS). Eredità Multifattoriale ✓ Effetto combinato di molti geni e/o fattori ambientali. ✓ Ricorrenza in famiglie. ✓ Genetica non mendeliana. ✓ Numerosi studi hanno dimostrato che è presente una componente genetica nel determinare la suscettibilità a malattie: malattie infettive malattie cardiache ipertensione, aterosclerosi cancro obesità diabete schizofrenia demenza ✓ La componente genetica è difficile da quantificare e da identificare, perché tali malattie non sono determinate da pochi geni. ✓ Il ruolo dei fattori ambientali è determinante. ✓ Questo rende difficile la valutazione e il confronto di studi effettuati in differenti popolazioni con diversi stili di vita e ambiente, o anche nella stessa popolazione ma in tempi diversi (ad es. negli anni Ottanta, quando venivano usati alcuni pesticidi, e nell’epoca attuale). Clustering (aggregazione) familiare ✓ Parenti condividono una percentuale maggiore dei loro alleli rispetto agli individui non correlati nella popolazione. ✓ Una caratteristica primaria della malattia con eredità complessa è che gli individui affetti tendono a raggrupparsi in famiglie (aggregazione familiare). ✓ Il contrario non è necessariamente vero: l'aggregazione familiare di una malattia non significa che una malattia debba avere un contributo genetico. ✓ I fattori non genetici potrebbero avere lo stesso effetto: oltre a condividere gli alleli, le famiglie condividono cultura, comportamento, dieta ed esposizione ambientale. ✓ Un modo per misurare l’aggregazione familiare di una malattia è confrontare la frequenza della malattia nei parenti di un probando affetto con la sua frequenza nella popolazione generale. ✓ Il rischio aumentato per i consanguinei è descritto dal parametro lp, definito come il rischio per un parente affetto, diviso per il rischio della popolazione generale. Modello Soglia ✓ Il presupposto del modello multifattoriale è che la somma dei fattori (genetici ed ambientali) è distribuita “normalmente” nella popolazione e viene definita predisposizione. ✓ Quando il numero di fattori predisponenti supera un valore definito soglia, che è variabile da malattia a malattia, si manifesta il fenotipo patologico. ✓ Caratteri continui: non vi è una precisa distinzione clinica tra fenotipo normale e patologico ed il carattere viene categorizzato in modo arbitrario (ad es. la statura, la pressione arteriosa) → viene definito un valore “soglia” al di sopra del quale viene stabilito che l’individuo è affetto (ad es. iperglicemia, ipertensione). ✓ Caratteri discontinui o semiquantitativi: il fenotipo patologico è perfettamente distinguibile da quello normale (ad es. malformazioni). Metodi di Studio Tools per analizzare i tratti complessi ✓ Rischio empirico – frequenza in una specifica popolazione. ✓ Ereditabilità - quantità di eredità dovuta ai geni: - ¡ bambini adottati - ¡ gemelli - ¡ gemelli cresciuti separatamente ✓ Studi di associazione - studi caso-controllo Studi sui Gemelli ✓ Nelle famiglie, la percentuale di affetti e direttamente proporzionale al numero di geni comuni (più stretto è il legame di parentela, più geni sono in comune e maggiore è la proporzione di affetti). ✓ Studi su gemelli per valutare la componente genetica di un tratto. ✓ Gemelli monozigoti e dizigoti condividono l’ambiente prenatale e postnatale ma … ▪ Gemelli monozigotici (MZ): genotipo è identico stesso ambiente alla stessa età. ▪ Gemelli dizigotici (DZ): frazione media di geni condivisa: 50% stesso ambiente alla stessa età. ✓ Valutando la concordanza all’interno di coppie di gemelli monozigoti e dizigoti, è possibile distinguere quanto è determinato dall’ambiente e quanto dovuto a geni. ✓ Una maggior concordanza tra i gemelli monozigoti rispetto ai gemelli dizigoti indica la componente genetica del carattere. ✓ Se poi si è in grado di suddividere ulteriormente i gemelli MZ e DZ in coloro che condividono l’ambiente anche in epoca postnatale ed in coloro che non lo condividono (adottati), si è in grado di dare il relativo peso ai fattori genetici ed ambientali. Un esempio è il Diabete. Il Diabete Patologia cronica dovuta da un’iperglicemia persistente a digiuno, con valori di glucosio ≥ 126 mg/dl. Si distingue in: Tipo 1: - Più comune nei Caucasici (prevalenza di 4 su 1000 bambini). - Malattia autoimmune (il sistema immune attacca ed uccide le cellule che producono insulina). - HLA (Humain Leucocyte Antigen), INS ed altri loci sono responsabili. Tipo 2: - Malattia ereditaria eterogenea (molti loci associate) caratterizzata da iperglicemia cronica causata da una disfunzione delle cellule beta del pancreas e da resistenza insulinica. - Insorgenza tardiva, comunemente tra 40 e 60 anni. I fattori eziologici si dividono in: ▪ Genetici: - Associati al Sistema genetico dell’istocompatibilita’ HLA. - NON associate al Sistema HLA. ▪ Non Genetici: - Infezioni virali  - Dieta nella prima infanzia - Infezioni perinatali - Tossine Concordanza di IDDM in gemelli Una concordanza di malattia inferiore al 100% nei gemelli MZ è una prova evidente del fatto che fattori non genetici giocano un ruolo nella malattia. Una più alta concordanza di malattia nei gemelli MZ rispetto ai DZ è una prova evidente a favore di una componente genetica della malattia. Complicazioni L’identificazione dei geni di suscettibilità alle malattie complesse è particolarmente difficile: ✓ Coinvolgimento di molti geni. ✓ Differenze in frequenza dei polimorfismi tra popolazioni. ✓ Scarsa conoscenza dei fattori ambientali di rischio e la loro differente distribuzione in differenti aree geografiche. Farmacogenetica e Farmacogenomica Farmacogenomica (PGx) ✓ È un'area della medicina che sta ricevendo molta attenzione per la potenziale applicazione della genomica a cure mediche personalizzate. ✓ PGx è lo studio delle differenze tra gli individui nel modo in cui rispondono ai farmaci a causa della variazione allelica nei geni che influenzano il metabolismo, l'efficacia e la tossicità dei farmaci. ✓ La farmacogenetica (PGt) è un aspetto della PGx ed è definita come l’influenza delle variazioni del DNA sulla risposta al farmaco. ✓ Teoricamente, un farmaco viene somministrato in modo da raggiungere una concentrazione ematica che rientra nell'intervallo terapeutico: una concentrazione di farmaci troppo bassa è inefficace, mentre una troppo elevata può essere tossica. ✓ Nessuno dei farmaci noti fino ad oggi si è dimostrato efficace al 100% in tutti i pazienti: la stessa dose di un determinato farmaco può non dare risposta in alcuni individui, può produrre la giusta risposta terapeutica negli altri e può dar luogo a reazioni avverse in un altro parte di loro. ✓ Queste differenze nella risposta possono derivare da differenze cliniche tra individui (ad esempio l'età o la presenza di altre condizioni patologiche) e da fattori ambientali. Variations in drug response Ci sono due modalità attraverso cui le varianti genetiche possono condizionare la terapia farmacologica: 1. Effetto della variazione genetica sulla farmacocinetica, ovvero sul tasso con il quale il corpo assorbe, trasporta, metabolizza o elimina i farmaci o i loro metaboliti. 2. L’influenza della variante genetica sulla farmacodinamica, ovvero le differenze nelle modalità di risposta del corpo ad un farmaco. Variabilità nel metabolismo dei farmaci: Citocromo P450 ✓ Le proteine del citocromo P450 umano sono una famiglia di 56 enzimi funzionali (CYP). ✓ Partecipano al metabolismo di sostanze esterne al corpo (xenobiotici), inclusi I farmaci. ✓ Per molti farmaci iniziano il processo di detossificazione con una serie di reazioni che rendono il farmaco meno attivo e più facile da eliminare. ✓ In altri casi il farmaco è inattivo e richiede una attivazione da parte dei CYP. CYP2D6 ✓ CYP2D6 metabolizza più di 70 farmaci. ✓ Dozzine di alleli ad attività ridotta, assente o aumentata che determinano un metabolismo normale, ridotto o ultraveloce. ✓ Le mutazioni missenso diminuiscono l'attività. ✓ Mutazioni che alterano lo splicing o la cornice di lettura corrispondono ad alleli senza attività. ✓ L'allele CYP2D6*1XN è invece una serie di alleli (CYP2D6 x 3-4 o più copie. ✓ Effetto dipende se farmaco o profarmaco: → In caso di profarmaco, i metabolizzatori lenti possono accumulare livelli tossici del farmaco e non beneficiare dell’azione terapeutica per la scarsa attivazione del farmaco. → I metabolizzatori ultraveloci sono a rischio di sottodosaggio del farmaco con dosi non adeguate per mantenere i livelli ematici nel range terapeutico oppure possono andare incontro a sovradosaggio a causa di una conversione troppo rapida del farmaco in metabolita attivo. Genetica del Cancro e Tumori Ereditari Neoplasia È un processo patologico caratterizzato da proliferazione cellulare incontrollata che porta alla formazione di una massa cellulare o tumore. Consiste in uno sbilanciamento tra i processi normali di proliferazione e di morte cellulare. Affinché una neoplasia sia definita cancro deve essere maligna, ciò significa che non solo la crescita è incontrollata, ma è anche capace di invadere i tessuti circostanti il sito originario e di diffondersi (metastasi) in siti distanti. I tumori sono espansioni clonali; la tumorigenesi quindi è il risultato finale di eventi genetici che portano alla perdita del controllo della crescita. Basi molecolari della cancerogenesi ▪ I geni le cui mutazioni causano il cancro sono indicate come geni driver e le mutazioni causative del cancro in questi geni sono mutazioni driver. ▪ I geni driver appartengono a due categorie: 1. Oncogeni attivati 2. Oncosoppressori tumorali 1. Oncogeni Gli oncogeni sono alleli mutanti dei proto-oncogeni, geni cellulari che promuovono i normali processi di crescita e differenziamento. La lesione a carico dei protooncogeni nel processo tumorale implica di solito un acquisto di funzione che favorisce la trasformazione cellulare attraverso una aumentata attivazione dei meccanismi che: - stimolano la proliferazione cellulare - inibiscono l’apoptosi - incrementano l’apporto di sangue al tumore I Proto-oncogeni sono una classe eterogenea di geni che codificano per segnali STIMOLATORI del ciclo cellulare e comprendono:  ✓ Fattori di crescita ✓ Recettori di membrana per fattori di crescita ✓ Proteine coinvolte nella trasduzione del segnale ✓ Fattori di trascrizione in grado di legarsi al DNA ✓ Cicline, chinasi ciclino-dipendenti e loro inibitori e attivatori (= regolatori del ciclo cellulare). 2. Oncosoppressori Un gene oncosoppressore (o semplicemente oncosoppressore) è un gene che codifica per prodotti che agiscono negativamente sulla progressione del ciclo cellulare favorendo la differenziazione cellulare o l'apoptosi in caso di danno irreparabile al DNA. La lesione di un oncosoppressore comporta una perdita di funzione delle proteine codificate da tali geni. Le mutazioni conducono ad una incontrollata divisione e crescita cellulare od un deficit di apoptosi. Insorgenza ✓ 1 sola mutazione non può convertire una cellula somatica normale in una maligna. ✓ Sono necessari: - Accumulo di mutazioni (6-7 mutazioni indipendenti) - Minore efficienza dei sistemi di controllo ✓ Mutazioni aumentano la proliferazione cellulare, creando una popolazione espansa di cellule nella quale si verifica la mutazione successive. ✓ Mutazioni successive intervengono sulla stabilità del genoma favorendo l’insorgenza di successive mutazioni. Tumori ereditari ✓ Conosciamo almeno 100 geni diversi le cui mutazioni deleterie fanno aumentare il rischio di cancro di molte volte rispetto alla popolazione generale. ✓ Molte sindromi di familiar cancer sono associate a geni tumor suppressor (autosomico dominante). - Retinoblastoma (RB1), poliposi adenomatosa familiar (APC). ✓ Solo 3 sindromi sono dovute ad oncogeni: adenomatosis endocrina multipla di tipo 2 (RET), lung cancer (MET), melanoma (CKD4). ✓ Alcune sindromi sono dovute a danni nel riparo del DNA: xeroderma pigmentoso XP, Fanconi, Werner. Teoria dei 2 colpi (two hits) dell’inattivazione di un oncosoppressore ✓ Per I tumor suppressor è necessaria la Perdita di funzione di entrambi gli alleli ✓ Affinché’ si verifichi il tumore, un secondo evento somatico che inattiva l’altro allele in un paziente che è già eterozigote per la mutazione germinale dello stesso gene (Perdita di eterozigosità). ✓ Nei tumori sporadici, I 2 alleli sono inattivati da due eventi somatici che si verificano nella stessa cellula. ✓ Modello a due colpi. Diagnosi Prenatale Diagnosi e screening prenatali Lo scopo è di informare le donne in gravidanza o le coppie sul rischio che il feto abbia difetti congeniti o malattie genetiche e metterli di fronte a scelte consapevoli su come gestire il rischio. In alcuni casi, la diagnosi prenatale può rasserenare le coppie ad alto rischio; in altri casi, la diagnosi prenatale permette ai medici di pianificare il trattamento prenatale di un feto con una patologia congenita. Diagnosi prenatale Il termine diagnosi prenatale indica test eseguiti su un feto per il quale è noto un elevato rischio di disturbo genetico al fine di determinare se esso sia affetto o meno dalla malattia in questione. Il rischio elevato viene solitamente determinato sulla base della precedente nascita di un fratello con la malattia, di un’anamnesi familiare positiva per la malattia, di un test del portatore positivo in uno dei genitori o di un test di screening prenatale che indica aumentato rischio. La diagnosi prenatale spesso, ma non sempre, richiede una procedura invasiva che deve essere la più definitiva possibile e dare una risposta «sì o no» al quesito. Screening prenatale Il termine screening prenatale è tradizionalmente riferito ai test per certi difetti congeniti comuni in gravidanze per le quali non è noto un elevato rischio per un difetto congenito o un disturbo genetico. I test di screening sono stati sviluppati perché i difetti congeniti comuni spesso si riscontrano in gravidanze con nessun rischio specifico, quindi in casi in cui i genitori non potrebbero accedere ai test. I test di screening sono in genere non invasivi basandosi sulla raccolta di un campione di sangue materno o su tecniche di imaging. Sono progettati per essere poco costosi ed a basso rischio per poter essere utilizzati nell’analisi di tutte le donne incinte in una popolazione indipendentemente dal rischio. Lo scopo dello screening è di identificare gravidanze da indirizzare alla diagnosi prenatale. I test di screening NON danno una risposta sì o no ed hanno circa il 5% di falsi positivi. Metodi di diagnosi prenatale Si distinguono in: TEST INVASIVI: ▪ Amniocentesi. ✓ Ottenimento di tessuti fetali ✓ Inserzione di un ago nel sacco amniotico e raccolta di un campione del liquido amniotico attraverso l’addome. ✓ Il liquido amniotico contiene cellule di origine fetale che possono essere usate per test diagnostici. ✓ Previa ecografia per valutare lo stato di salute del feto. ✓ Si esegue tra la 16 e la 20 settimana di gravidanza. ✓ Analisi dei cromosomi ✓ Misura di alfa-fetoproteina (AFP) per determinare disturbi del tubo neurale. ▪ Villocentesi. ✓ Biopsia di tessuto derivante dai villi coriali per via transaddominale. ✓ Tra la 10 e la 13 settimana di gravidanza. ✓ I villi derivano dal trofoblasto, la parte extraembrionale della blastocisti. ✓ Previa ecografia. ✓ Risultati più precoci. ✓ No dosaggio AFP. ▪ Diagnosi genetica pre-impianto (PGD) ✓ Test eseguiti durante la fecondazione in vitro (FIV). ✓ Selezione di embrioni senza una condizione genetica prima del trasferimento in utero. ✓ Alternativa per coppie a rischio. Permette di eseguire analisi genetiche su biopsia embrionaria e di selezionare embrioni per l’impianto. Permette a genitori con alto rischio di ricorrenza per malattie genetiche di avere un figlio sano ed evitare i costi morali, psicologici e finanziari della malattia e dell’aborto. ✓ Una o più cellule prelevate da: - Globo polare - Blastomero (un blastomero viene rimosso dall’embrione 3 giorni dopo FIV a 8- 16- cellule). - Blastocisti (lo zigote viene tenuto in coltura per 5-6 giorni finché diventa blastociti e vengono raccolte 5 cellule del trofoectoderma (no ICM). ▪ Screening del primo trimestre (Duo Test). ✓ Tra l’11 e la 13 settimana di gestazione. ✓ Misurazione di analiti nel siero materno ed ecografia. ✓ Proteina plasmatica A associata alla gravidanza (PAPP-A): valori ridotti in caso di trisomie. ✓ Ormone gonadotropina corionica umana (hCG): valori elevati in caso di trisomia 21, ridotti in caso di altre trisomie. ✓ Translucenza nucale: spessore anecogeno tra la cute e il tessuto molle che ricopre la superfice dorsale della colonna cervicale causato da edema sottocutaneo del collo fetale. Aumenta nelle trisomie. ▪ Screening del secondo trimestre. ✓ Misura di hCG, AFP, estriolo non coniugato e inibina A (quadruplo screening). ✓ Livelli bassi in trisomie, con eccezione di hCG che è elevata nella trisomia 21 ma ridotta nelle altre e l’inibina A che è elevata nella trisomia 21 ma non alterata nelle altre. ✓ Test non invasivo sul DNA fetale circolante (NIPT) ▪ Dosaggio AFP. ✓ Glicoproteina fetale prodotta nel fegato e secreta nella circolazione ed escreta attraverso i reni. ✓ Valutazione di disturbi del tubo neurale. ✓ Dosaggio immunoenzimatico. ✓ Elevati livelli à possibili alterazioni. TEST NON INVASIVI: ▪ Ecografia. ✓ L’ecografia ad alta risoluzione viene utilizzata per la valutazione dell'età fetale, di gravidanze multiple e della vitalità fetale. ✓ Non ha effetto dannoso sul feto o la madre. ✓ Si riscontrano malformazioni fetali. ✓ Eco in 3D o 4D. ✓ Rivelazione di malattie monogeniche associate ad anomalie strutturali e trisomie. ▪ Test non invasivo su DNA fetale circolante (NIPT). ✓ 7 settimane di gestazione. ✓ Cell-free fetal DNA (cffDNA). ✓