Genetica Medica - PDF

LEZIONE 1 GENETICA De nizione: la genetica (ghénesis, “genesi, origine”) è la branca della biologia che studia i geni, l’ereditarietà e la variabilità genetica negli organismi viventi. La genetica è formata da diverse branchie (epigenetica, framacogenetica,...

LEZIONE 1 GENETICA De nizione: la genetica (ghénesis, “genesi, origine”) è la branca della biologia che studia i geni, l’ereditarietà e la variabilità genetica negli organismi viventi. La genetica è formata da diverse branchie (epigenetica, framacogenetica, nutri genetica, ingegneria genetica); la genetica medica, in particolare, è la parte della genetica che permette di analizzare le alterazioni a livello genico e, di conseguenza, le malattie genetiche e le possibili soluzioni ad esse. Il GENE, in biologia, è l’unità funzionale del genoma, localizzata in una zona speci ca di un cromosoma (locus) responsabile della trasmissione dei caratteri ereditari; è costituito da una sequenza di DNA che codi ca una speci ca proteina. Negli organismi diploidi è presente in due forme alternative (chiamate alleli) che determinano quale carattere si manifesterà nell’individuo. Si parla, quindi, di due tipologie di geni: - Gene dominante -> il cui carattere si manifesta quando è presente sia nello stato omozigote sia allo stato eterozigote - Gene recessivo -> il cui carattere si manifesta solo nella condizione di omozigosi, in quanto allo stato eterozigote è mascherato da un allele dominante. LA STRUTTURA DEL GENOMA EUCARIOTICO Per capire come avviene l’eredità dei caratteri bisogna ricapitolare la struttura del genoma eucariotico. Il genoma è organizzato in struttura ad ordine via via superiore (organizzazione gerarchica): 1. Il primo livello di costruzione è costituito dal doppio lamento a elica di DNA – molecola che di base ha una lunghezza di 2 metri 2. Il secondo livello è costituito da cromatina che è costituisce la forma detta “ lo di perle” o bra 11 nanometri A partire dalla molecola di DNA, che contiene tutte le informazioni dei nostri genomi diploidi in cellula (ad eccezione delle cellule germinali), si può organizzare nella struttura “ lo di perle”. Questo può avvenire tramite la realizzazione dei nucleosomi. I NUCLEOSOMI sono l’unità fondamentale della struttura della cromatina negli eucarioti. Ogni nucleosoma è composto da un ottamero di istoni; un ottamero istonico è una struttura caratterizzata dalle proteine istoniche, in questo caso complessate tra di loro, H2A, H2B, H3 e H4, fi fi fi fi fi fi fi fi  che nel loro insieme formano il cuore istonico, attorno al quale la molecola di DNA si può avvolgere due volte. Questi nucleosomi sono tra di loro collegati da un’altra proteina: l’istone H1 detto istone linker. 3. Il terzo livello è formato da bra di cromatina dello spessore di 30 nanometri formata da nucleosomi impacchettati Questa struttura avviene grazie nella struttura a solenoide di 6 nucleosomi alla volta. Quindi, questa struttura è mantenuta grazie all’interazione dei vari nucleosomi, no a forma dei loop. I loop sono mantenuti da proteine della matrice non istonica. 4. Il quarto livello è de nito da cromatina condensata La CROMATINA può essere di due tipologie: eurocromatina ed eterocromatina. Esse sono due forme distinte di organizzazione della cromatina all’interno del nucleo delle cellule eucariotiche. Si differenziano principalmente per la struttura, la funzione e il grado di condensazione del DNA. La prima, l’eurocromatina, è più rilassata e meno condensata, appare chiara al microscopio elettronico e viene associata a regioni attive del genoma, in cui il DNA è accessibile ai fattori di trascrizione. Inoltre, contiene geni che vengono attivamente trascritti in RNA. La seconda, l’eterocromatina, è più condensata e appare di colore scuro al microscopio elettronico a causa della compattezza, viene associata a regioni geneticamente inattive o a basso livello di trascrizione, contiene sequenze ripetitive e aree strutturali, come centromeri e telomeri. L’eterocromatina, inoltre, può essere: facoltativa (può diventare eurocromatina in determinate condizioni) o costitutiva (sempre nella forma condensata). o L’eterocromatina facoltativa si può già riscontrare a livello interfasico, a livello del cromosoma X sessuale o a livello del corpo di bar. o L’eterocromatina costitutiva presenta a sua volta due porzioni: una che riguarda i centromeri, quindi le porzioni distali del cromosoma Y, le porzioni che solitamente non vengono trascritte (alterazioni a loro carico non sono associate a malattie cromosomiche); la seconda zona caratterizzano solo i cromosomi 1, 9, 16 e Y poiché vi è una diversa distribuzione dell’eterocromatina. 5. In ne, il quinto livello è formato dal cromosoma mitotico intero. Grazie a questa tipologia di struttura costituita a più livelli, la cromatina ha una struttura dinamica in cui possiamo indicare due tipologie di con gurazioni: - Con gurazione dispersa interfasica – presente nella maggior parte del ciclo cellulare - Con gurazione compatta metafasica (miotica) – presente nella mitosi, fase in cui la condensazione diminuisce fi fi fi fi fi fi fi  La dimensione del genoma non è correlata con la complessità morfologica né funzionale. Questa situazione è nota in biologia come il paradosso del valore C. Gli organismi di complessità maggiore, come gli eucarioti, hanno una minore densità genica -> quindi, aumenta la percentuale di geni non codi canti e, di conseguenza, la percentuale codi cante sarà molto piccola (circa 2-4%-in generale, 1% nell’uomo). Anche il numero di cromosomi non correla con il numero di proteine corrispondenti che vengono codi cate, infatti nell’uomo (46 cromosomi) corrispondono circa 21600-25000 proteine codi canti, mentre nel cane (78 cromosomi) ci sono 19300 proteine codi canti. In genetica esistono molti modelli che attualmente possono essere utilizzati per spiegare la trasmissione delle malattie: - Eredità mendeliana o classica - Eredità con effetto parentale -> la trasmissione di un gene responsabile di una malattia dipende dal gene del genitore che trasmette l’alterazione; - Eredità multifattoriale -> rappresenta oggi la modalità di trasmissione prevalente tra tutte e si intende che la malattia dipende da più geni; - Eredità con effetto di imprinting -> questo caso è simile all’ereditarietà parentale ma a differenza di essa, il gene malato è trasmesso o solo dalla madre o solo dal padre; dunque, la sua espressione dipende dal sesso del glio; - Eredità mitocondriale -> si tratta dell’espressione di malattie molto più rare che provengono solo dal corredo cromosomico della madre, infatti i mitocondri, durante la fecondazione, vengono ereditati soltanto per via materna (nell’oocita i mitocondri sono presenti in numeri maggiore rispetto a quelli del padre). LE LEGGI DI MENDEL NB - Le leggi di Mendel sono state formulate in assenza del concetto gene. Si tratta di leggi che Mendel formulò sulla base di incroci di piante di piselli e sulle sue osservazioni. In base alle sue osservazioni de nì la presenza dei CARATTERI, ma senza mai parlare di geni. [de nizione di carattere: In genetica, qualsiasi caratteristica biologica di un organismo che dipende dall’infrazione genetica in quanto contenuto in uno o più geni dello stesso organismo e che può uniti essere ereditata dalla sua progenie in modo prevedibile]. 1° LEGGE DI MENDEL – legge della dominanza dei caratteri Essa venne formulata incrociando due piante di piselli appartenenti a due linee pure diverse. La prima linea pura era di colore verde e il seme era liscio; mentre, la seconda linea pura era di colore verde con seme rugoso. Nella prima generazione, ottenuta dall’incrocio di queste due linee pure, Mendel osservò soltanto la manifestazione di uno solo dei due caratteri, corrispondenti ad un solo FENOTIPO [=è l’insieme delle caratteristiche osservabili di un organismo, derivanti dall’interazione tra il suo genotipo fi fi fi fi fi fi fi fi  (l’insieme dei geni) e l’ambiente. Esso include tratti sici, come il colore degli occhi o l’altezza, così come caratteristiche biochimiche, siologiche e comportamentali] come carattere dominante. 2° LEGGE DI MENDEL – legge della segregazione dei caratteri Essa venne formulata a partire dall’incrocio di due piante della prima generazione e si osservò la ricomparsa del 25% del carattere “scomparso” (-> gene recessivo). Il rapporto era, dunque, di 3:1. Ipotizzò che gli alleli corrispondenti dei diversi caratteri si erano in qualche modo separati; ciò è osservabile con il quadrato di Pannet. 3° LEGGE DI MENDEL – legge dell’assortimento indipendente In questo caso, Mendel incrociò delle piante di diverse linee pure e che differivano tra di loro per due caratteri generati da due diverse forme alleliche. Quindi, ipotizzò che, durante la formazione dei gameti, geni diversi si distribuiscono l’uno indipendentemente dall’altro. LE ECCEZIONI ALLE LEGGI DI MENDEL : 1. LA DOMINANZA INCOMPLETA Esistono, in biologia, tantissimi fenomeni biologici che costituiscono un'eccezione alle leggi di Mendel, un esempio è la dominanza incompleta. De nizione: La dominanza incompleta è un tipo di eredità genetica in cui il fenotipo dell’eterozigote (un organismo con due alleli diversi per un dato gene) è intermedio rispetto ai fenotipi dei due omozigoti. In altre parole, nessuno dei due alleli è completamente dominante sull’altro e nessuno dei due alleli è completamente recessivo. 2. GENETICA DEI GRUPPI SANGUIGNI Essa permette, attraverso il sistema B0, di introdurre dei fenomeni che costituiscono eccezione alle leggi di Mendel: il fenomeno della codominanza e il fenomeno dell’allelia multipla. Fenomeno della codominanza La presenza del fenomeno della codominanza ci permette di spiegare perché in corrispondenza di due differenti forme alleliche o, in questo caso, tre diverse forme alleliche, alcune di esse non predomina l’una sull’altra ma, anzi, compaiono allo stesso tempo. Le tre forme alleliche sono generate dalla presenza degli antigeni presenti sui globuli rossi: antigene A, antigene B, antigeni A e B oppure nessun antigene. La presenza dell’antigene a livello dei geni permette l’espressione della stessa a livello del fenotipo. ➔ Riguarda l’espressione simultanea di due alleli in un eterozigote. Fenomeno dell’allelia multipla Esso si veri ca quando per un determinato gene esistono più di due varianti (o alleli) in una popolazione. Anche se ogni individuo può avere solo due alleli per gene (uno per ciascun cromosoma omologo), la presenza di più di due opzioni nella popolazione aumenta la variabilità genetica. Nel concreto, in riferimento ai gruppi sanguigni: gli antigeni che codi cano per il gruppo sanguigno sono A e B sono entrambi dominanti (vengono indicati con IA e fi fi fi fi fi IB), mentre per il gruppo 0 (caratterizzato dall’assenza di antigeni) sono recessivi (indicati con ii). ➔ Si riferisce alla presenza di più di due alleli possibili per un gene in una popolazione. Per quanto riguarda i gruppi sanguigni, esso viene determinato dal gene corrispondete al cromosoma 9. Il gruppo sanguigno è di fondamentale importanza quando si parla di trasfusioni di sangue: - Antigene A presenta anticorpi anti-B - Antigene B presenta anticorpi anti-A - Nessun antigene (gruppo 0) presenta anticorpi anti-A e anti-B La genetica dei gruppi sanguigni si base su regole riconducibili al quadrato di pannet mendeliano, quindi è possibile stimare la probabilità di ereditarietà dei vari alleli. In ogni genoma ci sono 2 alleli, quindi ogni allele ha ½ di probabilità di venire trasmesso alla prole; dunque, ogni incrocio ha ¼ di probabilità di avvenire. La probabilità di più casi si calcola con la moltiplicazione (-> vedi calcolo della probabilità di eventi indipendenti). I gruppi sanguigni vengono classi cati in base alla presenza (+) o all’assenza (-) del fattore Rhesus, chiamato Rh: si parlerà quindi di gruppi sanguigni Rh positivi o di gruppi sanguigni Rh negativi. Considerando il sistema AB0 e il fattore Rh si possono indicare 8 casi: 0+, 0-, A+, A-, B+, B-, AB+, AB-. In riferimento al fenomeno della dominanza: - Il fattore Rh + si trova nella maggioranza (85%) dei casi poiché si tratta di un fattore di tipo dominante -> il genotipo può, quindi, essere DD Dd; - Il fattore Rh – si trova in minor quantità (15%) perché è di tipo recessivo -> il genotipo è solo dd. Un altro sistema presente nei gruppi sanguigni è il sistema MNS. Anche in questo caso sotto forma di antigeni sono l’antigene M e l’antigene N. Questi antigeni sono presenti sulla super cie dei globuli rossi e ha rilevanza principalmente in contesti di genetica e medicina trasfusionale. Gli antigeni sono determinati da un gene chiamato glicoproteina A, che codi ca una glicoproteina presente sulla super cie dei globuli rossi. Anche in questo caso, esiste il fenomeno della codominanza: - Gli individui MN esprimono solo l’antigene M e l’antigene N sui globuli rossi - Gli individui NN esprimono solo l’antigene N sui globuli rossi - Gli individui MM esprimono solo l’antigene M sui globuli rossi Oltre agli antigeni M e N, esistono gli antigeni S e s, che sono determinati da un gene correlato (glicoproteina B). Anche in questo caso, la variabilità genetica segue principi di codominanza: - Gli antigeni M e N non sono immunogenici, quindi non provocano normalmente reazioni trasfusionali. Tuttavia, sono usati in genetica delle popolazioni per studiare le migrazioni umane e la diversità genetica. fi fi fi fi  - Al contrario, gli antigeni S e s possono causare reazioni trasfusionali o malattia emolitica del neonato (HDN) se vengono prodotti anticorpi contro di essi. La distribuzione genetica dei vari antigeni varia da popolazione a popolazione. Conoscere l’apparenza ai gruppi sanguigni, in particolare del fattore Rhesus, è indispensabile in stato di gravidanza: nel corso del parto, eritrociti del bambino possono entrare nella circolazione materna e sensibilizzare la madre a produrre anticorpi anti Rh. Ormai il bambino è nato, ma nelle gravidanze successive potranno veri carsi problemi sul feto, legati alla presenza di questi anticorpi materni. Allo scopo di evitare la sensibilizzazione, subito dopo il parto si iniettano nella madre anticorpi anti Rh, che distruggono le cellule del neonato. GLI ALBERI GENEALOGICI Per capire la genetica è necessario conoscere gli alberi genealogici e i suoi SIMBOLI: il quadrato viene usato per indicare gli individui di sesso maschile, i cerchi per quelli femminili; le generazioni vengono indicate dall’alto verso il basso, andando dalla più vecchia verso la più recente; la presenza di linee che uniscono due simboli indica matrimoni; il sesso non determinato è rappresentato da dei rombi. La presenza di cerchi piccoli scuri indica aborti; mentre il simbolo, cerchio o quadrato, indica la morte. La presenza di simboli scuri indica la presenza di individui affetti da una patologia; mentre, simboli chiari indica la presenza di individui sani. La presenza di una freccia vicino ad un simbolo indica la presenza di un probando. La presenza di gemelli viene indicata con due linee oblique; mentre, due gemelli omozigoti sono uniti da una linea orizzontale, oltre le da linee oblique. I simboli colorati a metà indica la presenza di individui portatore della malattia (≠ individui affetti) autosomiche recessive; mentre, i cerchi chiari con all’interno cerchi scuri indica una donna portatrice di una malattia X link recessiva (non manifesta). Il matrimonio tra consanguinei (=tra parenti) viene indicato con una doppia linea orizzontale. LE DIFFERENZE TRA LE DUE DIVISIONI CELLULARI PRINCIPALI NELLE CELLULE UMANE La maggior parte delle nostre cellule, ad eccezione delle cellule germinali, si dividono per MITOSI. La mitosi è la strategia che permette: - Agli organismi eucarioti unicellulari di riprodursi in maniera asessuata - Agli eucarioti pluricellulari di crescere e svilupparsi (produzione di più cellule) e di rinnovare i tessuti. Dopo la mitosi le cellule prodotte hanno le stesse caratteristiche della cellula madre e sono geneticamente identiche. Le FASI DELLA MITOSI sono: fi  1. PROFASE: la cromatina si addensa a formare i cromosomi, i centrosomi (foci di assemblaggio del fuso mitotico) precedentemente duplicato, cominciano ad allontanarsi tra di loro; 2. PROMETAFASE: i centrosomi si posizionano ai poli della cellula creando un fuso mitotico; la membrana nucleare si rompe e i cromosomi vengono legati dai microtubuli tu oli lì che compongono il fuso; 3. METAFASE: la membrana nucleare è dissolta, i cromosomi si dispongono all’equatore della cellula in modo che i centromeri siano tutti allineati in posizione equatoriale rispetto alla piastra metafasica; 4. ANAFASE: disgiunzione dei cromatici fratelli verso i poli opposti della cellula grazie ai microtubuli che si accorciano trascinandoli; 5. TELOFASE e CITOCINESI: I cromatici fratelli sono giunti ai due poli e attorno a loro cominciano a formarsi due membrane nucleari; questa fa in modo che si formino due nuclei. Dopo la formazione dei due nuclei si ha la citocinesi, ovvero la divisione del citoplasma della cellula. Si ottengono, quindi, due cellule, dette cellule glie. La MEIOSI, a differenza della mitosi, è un processo che, in seguito alla duplicazione del DNA, permette di avere due successive divisioni cellulari, meiosi I e meiosi II, per ottenere un numero di cromo si aploidi (n=23) che successivamente ti-acquisisce lo stato di diploidia in seguito alla formazione dello zigote, post fecondazione dell’oocita da parte dello spermatozoo. A differenza della mitosi, la meiosi presenta dei processi che nella mitosi non sono presenti, in particolare, che riguardano la PROFASE I della meiosi I : vi sono due divisone in corrispondenza della meiosi che possono essere descritte come riduzionale per la prima ed equazionale per la seconda; esse sono simili in tutto e per tutto alla mitosi. Le FASI DELLA MEIOSI: 1° DIVISIONE – MEIOSI I - PROFASE I: la cromatina si addensa e i cromosomi omologhi si appaiano tra di loro (= i cromosomi materni e paterni si accoppiano formando una tetrade, composta da due cromatidi fratelli per ogni cromosoma). In questa prima fase si veri ca il fenomeno del CROSSING-OVER, ciò signi ca che vi è lo scambio di segmenti di DNA tra cromatidi non fratelli (detti chiasmi), generando variabilità genetica. In questa fase, inoltre, si forma il fuso meiotico, quindi, I centrioli si spostano ai poli opposti; - METAFASE I: le tetradi si allineano sul piano equatoriale della cellula; i cromosomi omologhi sono orientati casualmente rispetto ai poli (importante per la variabilità genetica); - ANAFASE I: i cromosomi omologhi (composti ancora da due cromatidi ciascuno) si separano e si muovono verso i poli opposti; questo riduce il numero di cromosomi: ogni polo riceve un set aploide di cromosomi duplicati; - TELOFASE I e CITODIERESI: i cromosomi raggiungono i poli; la cellula si divide in due cellule glie, ognuna con un set aploidi di cromosomi (ognuno ancora formato da due cromatidi). 2° DIVISONE – MEISOI II (si separano i cromatidi fratelli, risultando in quattro cellule aploidi; processo simile alla mitosi) fi fi fi fi  - PROFASE II: i cromosomi si condensano di nuovo e si forma un nuovo fuso mitotico; - METAFASE II: i cromosomi (composti da due cromatidi) si allineano sul piano equatoriale; - ANAFASE II: i cromatidi fratelli si separano e si muovono verso i poli opposti; ora, ogni cromatide diventa un cromosoma indipendente; - TELOFASE II e CITODIERESI: i cromosomi raggiungono i poli opposti e si despiralizzano; le cellule si dividono, formando quattro cellule aploidi, ciascuna con un set unico di cromosomi. La meiosi permette di ampliare la varietà genetica tra individui grazie alla formazione di quattro diverse cellule glie aploidi, diverse nel loro corredo cromosomico dalla cellula madre; inoltre, la variabilità è garantita dal CROSSING-OVER e dal PROCESSO DI ASSORTIMENTO INDIPENDENTE DEI GAMETI (= separazione casuale dei cromosomi omologhi). Considerando il numero dei cromosomi che sono disponibili nelle cellule con un corredo cromosomico di tipo aploide (n=23) è possibile calcolare il numero di combinazioni che si possono osservare: 2n = 223 = 8,4 milioni di possibili combinazioni cromosomiche e di tipi di gameti che possono essere prodotti a partire da una speci ca cellula. IL PROCESSO DI GAMETOGENESI Le cellule germinali primordiali si differenziano durante la fase embrionale. Entro la sesta settimana si ha lo sviluppo di una prima differenziazione nelle gonadi di testicoli o ovaio. De nizione di gametogenesi: è il processo biologico attraverso il quale si formano i gameti, cioè le cellule sessuali mature (spermatozoi nei maschi e ovociti nelle femmine) necessarie per la riproduzione sessuata. Caratteristiche: 1. Localizzazione: avviene negli organi riproduttivi (detti gonadi) o Nei testicoli (maschi) -> spermatogenesi (formazione degli spermatozoi) o Nelle ovaie (femmine) -> ovogenesi (formazione degli ovociti) 2. Processo di divisone cellulare: la gametogenesi coinvolge la meiosi, che riduce il numero di cromosomi della cellula diploide (2n) ad aploide (n), garantendo che i gameti abbiano metà del patrimonio genetico 3. Variabilità genetica – fenomeno del crossing-over OVOGENESI L’ovogenesi è il processo che porta alla formazione di un ovocita maturo (gamete femminile) nelle ovaie. Si tratta di un processo complesso che si sviluppa in più fasi e si svolge in modo discontinuo durante la vita della donna. FASI DELL’OVOGENESI 1. Fase proliferativa o moltiplicativa (prima della nascita) - Dove e quando: Avviene nelle ovaie del feto durante la vita embrionale fi fi fi  - Cosa succede: o Le cellule germinali primordiali (2n) si moltiplicano attivamente per mitosi, dando origine a milioni di cellule diploidi chiamate oogoni. o Gli oogoni entrano in una prima fase di maturazione e diventano ovociti primari. o Questi ovociti primari iniziano la profase I della meiosi, ma si arrestano nella fase detta diplotene. Rimangono in questo stadio no alla pubertà. 2. Fase di crescita (dalla nascita alla pubertà) - Cosa succede: o Gli ovociti primari crescono in dimensione e accumulano riserve necessarie per il futuro sviluppo embrionale (accumulo di proteine, lipidi e RNA nel citoplasma). o Rimangono in stato di quiescenza no a che non vengono selezionati per proseguire il ciclo durante la vita riproduttiva. 3. Fase di maturazione (dalla pubertà alla menopausa) La maturazione degli ovociti è regolata dai cicli ormonali mensili e si completa durante l’ovulazione. Questa fase è divisa in due momenti principali: a. Ripresa della meiosi I o Ogni mese, durante il ciclo ovarico, alcuni ovociti primari riprendono la meiosi. o La meiosi I termina poco prima dell’ovulazione, producendo: ▪ Un ovocita secondario (aploide, n) con la maggior parte del citoplasma. ▪ Un primo globulo polare (aploide, n), che è una cellula più piccola e non funzionale. b. Arresto della meiosi II o L’ovocita secondario inizia la meiosi II, ma si arresta nella metafase II. o Rimane in questo stato no a che non avviene la fecondazione. 4. Fase di completamento (dopo la fecondazione) - Se lo spermatozoo penetra l’ovocita durante la fecondazione, la meiosi II si completa. - Si formano: o L’ovocita maturo (aploide, n), che contiene il materiale genetico pronto per fondersi con quello dello spermatozoo. o Un secondo globulo polare, che viene eliminato. RISULTATO FINALE DELL’OVOGENESI - Da un singolo ovocita primario (diploide) si forma un ovocita maturo funzionale (aploide). - Gli altri tre prodotti (il primo e il secondo globulo polare) sono cellule non funzionali che vengono degradate. fi fi fi SCHEMA RIASSUNTIVO 1. Oogoni (2n) → per mitosi → Ovociti primari (2n) (arresto in profase I). 2. Durante il ciclo ovarico: Ovociti primari → per meiosi I → Ovocita secondario (n) + primo globulo polare (n). 3. Se fecondato: Ovocita secondario (n) → per meiosi II → Ovocita maturo (n) + secondo globulo polare (n). PARTICOLARITÀ DELL’OVOGENESI - È un processo discontinuo: inizia prima della nascita, si interrompe e riprende ciclicamente durante la vita riproduttiva. - Produce un solo gamete funzionale per ciascun ciclo, a differenza della spermatogenesi, che genera quattro spermatozoi funzionali. - Il citoplasma è concentrato nell’ovocita maturo per supportare lo sviluppo embrionale nei primi stadi. SPERMATOGENESI La spermatogenesi è il processo attraverso il quale si formano gli spermatozoi, le cellule sessuali maschili. Avviene nei tubuli seminiferi dei testicoli ed è continuo dalla pubertà no alla vecchiaia. Questo processo comprende la moltiplicazione, la crescita, la maturazione e la differenziazione delle cellule germinali. FASI DELLA SPERMATOGENESI 1. Fase proliferativa o moltiplicativa - Dove e quando: Avviene nei tubuli seminiferi a partire dalla pubertà. - Cosa succede: o Le spermatogonie (cellule staminali diploidi, 2n) si dividono per mitosi, producendo una popolazione di spermatogonie che serviranno per tutto il processo. o Alcune spermatogonie restano staminali per garantire la continuità del processo, mentre altre entrano nel ciclo differenziativo. 2. Fase di crescita - Le spermatogonie destinate alla spermatogenesi crescono in dimensione e si trasformano in spermatociti primari (2n). - Durante questa fase, aumentano la loro quantità di citoplasma e preparano il materiale genetico per la meiosi. 3. Fase di maturazione (meiosi) Questa fase comprende due divisioni meiotiche consecutive: fi  A. Meiosi I o Lo spermatocita primario (2n) entra nella meiosi I e si divide per formare due spermatociti secondari (n, aploidi), ciascuno con metà del numero di cromosomi. B. Meiosi II o Ogni spermatocita secondario (n) si divide ulteriormente tramite la meiosi II, producendo due spermatidi (n), per un totale di quattro spermatidi da ogni spermatocita primario. 4. Fase di differenziazione (spermiogenesi) - Gli spermatidi (n), che sono cellule rotonde e immature, si trasformano in spermatozoi maturi attraverso un processo chiamato spermiogenesi. - Modi cazioni principali: o Formazione della testa contenente il nucleo e il materiale genetico. o Sviluppo dell’acrosoma, una struttura piena di enzimi necessaria per penetrare l’ovocita durante la fecondazione. o Allungamento della cellula e formazione del agello, che garantisce la motilità. o Riduzione del citoplasma, che viene eliminato per rendere la cellula più leggera e mobile. DURATA DELLA SPERMATOGENESI Il processo completo richiede circa 64-72 giorni. Una volta formati, gli spermatozoi maturi entrano nell’epididimo, dove acquisiscono piena motilità e capacità fecondante. RISULTATO FINALE DELLA SPERMATOGENESI - Da ogni spermatogonia si producono quattro spermatozoi funzionali (n). - Questo la differenzia dall’ovogenesi, dove si genera un solo gamete maturo. SCHEMA RIASSUNTIVO 1. Spermatogonie (2n) → per mitosi → Spermatociti primari (2n). 2. Spermatociti primari (2n) → per meiosi I → Spermatociti secondari (n). 3. Spermatociti secondari (n) → per meiosi II → Spermatidi (n). 4. Spermatidi (n) → per spermiogenesi → Spermatozoi maturi (n). IMPORTANZA DELLA SPERMATOGENESI - Garantisce una produzione continua di gameti maschili durante la vita riproduttiva. - Contribuisce alla variabilità genetica attraverso il crossing-over e la segregazione casuale dei cromosomi durante la meiosi. fi fl  - Produce gameti leggeri e mobili, ottimizzati per raggiungere e fecondare l’ovocita. - il controllo ormonale IL CONTROLLO ORMONALE Il controllo ormonale della spermatogenesi avviene tramite dei segnali provenienti dall’ipotalamo, il quale libera le GnRH (gonaditropine) che stimolano l’ipo si al rilascio di LH e FSH. LH induce le cellule di Leydig a produrre testosterone; mentre, FSH induce le cellule di Sertori alla produzione di inibina e di spermatozoi. Il trasporto di questi ormoni avviene tramite il sangue e inviano un feedback all’ipo si per aumentare o diminuire la produzione di GnRH. Gli effetti del testosterone sono molteplici e si manifestano soprattutto durante la pubertà: Sviluppo dei caratteri secondari. Accelerazione del processo di crescita. Aumento della massa muscolare. Maturazione dei testicoli e la produzione di spermatozoi. Nell’adulto vi è solo il mantenimento di questi caratteri. L’apparato riproduttore femminile presenta un’attività ciclica che comprende mutamenti periodici sia a livello delle ovaie sia a livello dell’utero. Il ciclo femminile è diviso in due parti: Ciclo ovarico: dura 28 gg, nei quali l’oocita primario giunge a maturazione e si trasforma in oocita secondario. Ciclo uterino (ciclo mestruale): accompagna quello ovarico e consiste in un progressivo ispessimento dell’endometrio e bello suo progressivo sfaldamento se non avviene la fecondazione. Il ciclo ovarico inizia con la fase pre ovulatoria, nella quale dai 6 ai 12 follicoli iniziano a maturare. Dopo una settimana, solo 1 continuerà a crescere per andare incontro all’ovulazione. L’ovulazione è il momento centrale del ciclo ovarico perché il follicolo si rompe per liberare l’oocita secondario nell’ovidotto. fi fi  L’oocita può sopravvivere 72 ore, nelle quali può essere fecondato; se non viene fecondato, degenera e l’endometrio si sfalda, generando il ciclo mestruale. Il ciclo ovarico e il ciclo uterino sono controllati da ormoni che vengono prodotti a tre livelli: Ipotalamo-> GnRH. Ipo si -> LH e FSH che agiscono sulle ovaie. Le ovaie producono estrogeni e progesterone. Prima della pubertà, la produzione di questi ormoni è molto scarsa, infatti solo con la fase della pubertà si attivano, generando il primo ciclo mestruale è l’espressione visiva dei caratteri sessuali secondari. Processo dei cicli: 1. Pochi giorni prima del ciclo, l’ipotalamo libera GnRH , stimolando la produzione di LH e FSH. il tasso di FSH aumenta, inducendo i follicoli a maturare per produrre gli estrogeni. Il livello di LH è molto basso in questa fase. 2. Gli estrogeni aumentano, stimolando la proliferazione dell’endometrio. 3. Quando si avvicina il momento dell’ovulazione, l’assetto ormonale si modi ca drasticamente: gli estrogeni raggiungono il loro picco, esercitando un feedback positivo sull’ipotalamo, che induce l’ipo si ad aumentare la produzione di LH e FSH. 4. Il picco di LH indice l’ovulazione e stimola le cellule follicolari a trasformarsi in corpo luteo, che produrrà gli estrogeni e i progesteroni. 5. Gli ormoni daranno un feedback negativo all’ipotalamo e all’ipo si, inibendo il rilascio delle GnRH per fermare la maturazione di nuovi follicoli. 6. Se non avviene l’impianto dell’embrione, il corpo luteo degenera, facendo cessare la produzione di ormoni; a questo punto, l’endometrio si sfalda generando la mestruazione. Nel corso della vita fertile della donna si veri cano mediamente 450 cicli ovarici per i quali solo 1 oocita va incontro all’ovulazione. In ne, vi è il periodo di meno pausa dove gli oociti rimasti sono incapaci di riprendere la maturazione. In seguito alla fecondazione si ha la formazione dello zigote. Dopo la formazione dello zigote si ha: - Duplicazione del DNA, alla quale non segue la spartizione del citoplasma e, quindi, l’allargamento delle prime cellule, e segmentazione - Dalle 2 alle 16 cellule si parla di blastomeri -> cellule che in questo stadio sono totipotente e che, se vengono separate l’una dalle altre, possono generare individui identici tra di loro, anche detti gemelli omozigoti. Questa fase viene detta fase di morula - Una volta passata la fase di morula si passa alla blastocisti e, quindi, alla formazione di una vescichetta con all’interno il nodo embrionale. (Le cellule della blastocisti sono pluripotenti) fi fi fi fi fi fi  - Le cellule super ciali formano il trofoblasto. IL CARIOTIPO Nel 1882 che descrisse dettagliatamente il materiale liforme durante la divisione cellulare fu Flemming. Risale al 1956 la distinzione dei cromosomi femminili e maschili a cura di Tijo e Levan. Invece, fu Lejeune nel 1958 a scoprire le anomalie genetiche (trisomia 21 – sindrome di down). De nizione di CITOGENETICA: si tratta di una scienza che studia I cromosomi e il loro comportamento durante la mitosi e la meiosi, la loro origine e la loro relazione con la trasmissione e ricombinazione dei geni; in particolare, la citogenetica medica si occupa dell’identi cazione di anomalie cromosomiche e la loro r relazione eziologica e patogenetica con il fenotipo. Come conseguenza si occupa della prognosi del soggetto portatore e dei rischi di ricorrenza nella prole. De nizione di CROMOSOMI: sono dei “pacchetti” di DNA. Ogni molecola di DNA double strand si compatta da una serie di proteine diverse (istoni e proteine non-istoniche). La cromatina è il nome generico di questo complesso DNA + proteine. La struttura fondamentale della cromatina è una “collana di perle”, dove le “perle” sono i nucleosomi (2° livello). (vedi struttura del genoma) Tutti i cromosomi, ad eccezione di quelli sessuali che vengono detti eterosomi, vengono detti autosomi. Se consideriamo i cromosomi come coppie di cromosomi omologhi essi presentano gli stessi geni seppur non identici -> sono identici I cromatidi su ciascun cromosoma omologo. Si possono identi care ciascuna coppia di cromosomi omologhi e come si appaiono tra di essi attraverso il BANDEGGIO CROMOSOMICO. Il cariotipo dell’uomo è l’insieme completo dei cromosomi di una cellula somatica di un individuo, ordinati e analizzati in base alla loro forma, dimensione e numero. Esso rappresenta il patrimonio genetico organizzato in 23 coppie di cromosomi, per un totale di 46 cromosomi. Di queste coppie: 22 sono autosomi, cioè cromosomi non sessuali; 1 coppia è costituita dai cromosomi sessuali (XX nella donna e XY nell’uomo). Il cariotipo viene solitamente studiato attraverso un’analisi cromosomica o caritipizzazione, come quella effettuata sui linfociti del sangue, e serve per identi care eventuali anomalie genetiche, come alterazioni nel numero o nella struttura dei cromosomi (es. trisomia 21, che causa la sindrome di Down). Quindi, ciò che deriva dal processo di caritipizzazione è una descrizione, riassunta in una formula de nita a livello internazionale (ISCN), delle osservazioni fatte sia che si tratti di cromosomi normali che anormali. [ISCN= international system for human cytogenetic nomenclature] METODOLOGIA PER L’ANALISI CROMOSOMICA: L’assetto cromosomico di un individuo o di una cellula permette di costruire una rappresentazione gra ca ordinata del corredo cromosomico che viene detto cariogramma. Il cariogramma viene fi fi fi fi fi fi fi fi fi fatto dopo la tecnica di bandeggio o la colorazione cromosomica e immortalando i cromosomi nella metafase. Tutti i cromosomi vengono riportati dal più grande al più piccolo ad eccezione del cromosoma 22 (è più grande del cromosoma 21 ma per scoperta successiva viene messo dopo). L’idiogramma permette di capire quali sono le differenze in termini di bandeggio e, quindi, permette di identi care le varie coppie di cromosomi omologhi in base alla distribuzione delle bande. LA STRUTTURA DEL CROMOSOMA: In corrispondenza di ogni cromosoma omologo si possono riscontrare due cariotipi; i due cromosomi omologhi vengono tenuti insieme da una struttura primaria detto CENTROMERO. I bracci lunghi del cromosoma vengono detti queque, mentre i bracci corti vengono detti petit. A livello di ogni centromero si possono trovare due apparati proteici detti CINETOCORE che permettono l’attracco dei microtubuli del fuso mitotico; in genere, il cinetocore è duplice, uno per ciascun cromatidio. Il CENTROMERO ha due funzioni principali; se normalmente ha il compito di tenere uniti i cromosomi durante tutto il ciclo cellulare, a livello della mitosi permette: una corretta segregazione e un punto di attacco al fuso mitotico. Il TELOMERO è essenziale per il mantenimento dell’integrità del cromosoma. - Favorisce il legame con le proteine telomeriche che costituiscono la capsula protettiva. La loro perdita determina instabilità delle estremità con la tendenza ad associarsi con le altre estremità rotte di altri cromosomi, ad essere coinvolto in eventi di ricombinazione o ad essere degradato. - Assicura la completa replicazione del DNA, contiene sequenze ripetute TTAGGG (3-20 Kb) riconosciute dalla telomerasi, contrastando l’accorciamento progressivo dei cromosomi dovuto al susseguirsi dei cicli normali di replicazione del DNA. - È coinvolto nello stabilire una architettura tridimensionale nel nucleo. Dal punto di vista morfologico, i cromosomi possono essere divisi in 4 tipi in base alla distribuzione del centromero rispetto al resto del cromosoma. 1. Cromosomi metacentrici -> il centromero è in posizione centrale rispetto ai bracci cromosomici (1,2,3,16,17,18,19) 2. Cromosomi submetacentrici -> il centromero è leggermente spostato rispetto al centro (4,5,6,7,8,9,10,11,12,20,X,Y) 3. Cromosomi acrocentrici -> il centromero è ancora più distale in modo da formare un braccio molto lungo e un braccio molto corto (13,14,15,21,22) fi  4. Cromosomi telocentrici -> il centromero è terminale, quindi è assente il braccio corto (non osservati nel cariotipo umano) LA TECNICA DI BANDEGGIO I cromosomi umani sono oggi indagati di routine con tecniche di colorazione differenziale che mettono in evidenza lungo l’asse verticale della struttura dei cromosomi l’alternarsi di zone colorate e zone non colorate (bande scure e bande chiare). Le tecniche di bandeggio universalmente utilizzate: - Bande GTG (bande G ottenute dopo il trattamento con Tripsina e colorate con Giemsa) -> visione in luce normale - Bande QFQ (bande Q ottenute dopo colorazione con mostarda di Quinacrina e osservate in Fluorescenza) Differenze tra i due tipi di bandeggio: Bande scure GTG (brillanti QFQ) positive alla colorazione: - Coloranti che si legano preferenzialmente a regioni ricche in AT (giemsa e quinacrina) - Si condensano precocemente ma replicano tardi - Contengono pochi geni - Ricche in line , poveri in alu Bande chiare GTG (scure QFQ) negative alla colorazione: - Ricche in GC - Si condensano tardi ma replicano precocemente - Ricche di geni - Povere in line, ricche in alu Esistono, tuttavia, altre forme di bandeggio cromosomico.  Nei cromosomi non sono presenti, tuttavia, delle differenze morfologiche che permettono di individuare eventuali anomali che sono associate ad eventuali malattie; esistono delle regioni diverse tra i diversi individui che non hanno un signi cato dal punto di vista clinico. Questi fenomeni vengono detti POLIMORFISMI CROMOSOMICI. De nizione: il polimor smo cromosomico si riferisce alla presenza di variazioni strutturali o numeriche nei cromosomi di una popolazione, senza che queste alterazioni siano associate a effetti patologici evidenti. Queste variazioni possono riguardare: Struttura: Differenze nella disposizione di sequenze di DNA all’interno di un cromosoma, come inversioni, duplicazioni, delezioni o traslocazioni. Numero: Presenza di variazioni nel numero di cromosomi, come cromosomi soprannumerari o mancanti, che non causano malattie ma rappresentano variazioni normali. Caratteristiche principali Eteromor smi: Tipicamente, i polimor smi cromosomici interessano regioni non codi canti del DNA, come l’eterocromatina, e si manifestano come differenze visibili nel cariotipo (es. dimensioni di regioni centromeriche o satelliti). Non patologici: Non in uenzano la salute o la fertilità, ma possono essere utili come marcatori genetici per studi sulla variabilità genetica, evoluzione e logenesi. Un esempio comune è l’eteromor smo del cromosoma Y, dove la regione distale è altamente variabile tra individui. Un ulteriore esempio è quello rappresentato da una risposta ai farmaci/ suscettibilità alle malattie multifattoriali (obesità, malattie metaboliche). LEZIONE 2 DIAGNOSI PRE E POSTNATALE e I TIPI DI ANALISI DEL CARIOTIPO L’analisi del cariotipo è un tipo di analisi che viene fatta convenzionalmente per esaminare le anomalie cromosomiche che si possono originare nel feto (diagnosi prenatale) o dal momento che il bambino è nato (diagnosi postnatale). In base alla tempistica saranno diversi i materiali che si utilizzano: - Nelle diagnosi prenatale, essendo che l’analisi viene fatta su bambini non ancora nati, saranno sfruttati i villi coriali, il liquido amniotico e il sangue fetale - Nelle diagnosi postnatale, ovvero dopo la nascita del bambino o mesi dopo, vengono sfruttati il sangue periferico, il midollo osseo, le colture si tessuti solidi ( broblasti, linfonodi, tumori solidi) e linee cellulari immprtalizzate Quando viene effettuato un cariotipo in epoca prenatale? - Quando l’età materna è >= 35 anni perché da questa età aumenta notevolmente il rischio di sviluppare malattie cromosomiche - Quando si presenta ansietà materna fi fi fi fl fi fi fi fi fi fi  - Quando si riscontra la presenza di anomalie cromosomiche bilanciate (traslocazioni bilanciate presenti nei geni dei genitori) - Quando vi sono state dei precedenti bambini nati con malformazioni - Quando vengono rilevate delle malformazioni in ecogra a - Quando vi sono dei parametri ecogra predittori e quando vengono fatti dei test biochimici predittivi che risultano positivi - Quando il test NIPT risulta positivo - Quando vengono fatte delle diagnosi di sesso fetale per malattia X-linked -> si tratta di feti di genere maschile che sono a loro volta generati da donne portatrici di malattia X-linked recessiva. E le indicazioni per le diagnosi post-natale? - Quando si sospetta una sindrome cromosomica (es sindrome di down) - Quando vi sono delle malformazioni maggiori e isolate - Quando vi sono delle malformazioni multiple - Quando vi è un ritardo psicomotorio o mentale (con o senza malformazioni) - Quando vi sono delle sindromi da geni congiunti (Williams, di George, …) - Quando vi è amenorrea (=assenza di ciclo mestruale in una donna in età fertile) primaria (quando una donna giovane non ha mai avuto il ciclo mestruale entro i 16 anni, spesso associata a ritardi nello sviluppo puberale) e secondaria (quando una donna che ha già avuto cicli regolari o irregolari smette di avere il ciclo per almeno 3 mesi consecutivi/6 in caso di cicli precedentemente irregolari) - Quando vi è una condizione di ipogonadismo (ridotta funzione delle gonadi – testicoli per i maschi e ovaie per le donne- che determina una ridotta produzione degli ormoni sessuali e, in alcuni casi, una compromissione della fertilità) - Quando si veri ca una condizione di azoospermia (assenza completa di spermatozoi nel liquido seminale, una condizione che può causare infertilità maschile) - Quando si veri ca una condizione di criptorchidismo bilaterale (condizione in cui entrambi i testicoli non sono discesi nella sacca scrotale, ma rimangono localizzati in altre aree lungo il loro percorso di discesa, come l’addome, il canale inguinale o la regione pubica; si tratta di una forma più rara rispetto al criptorchidismo monolaterale) - Quando si veri cano delle anomalie dei genitali - Quando vi è un aborto spontaneo - Quando il nascituro nasce morto - Quando una coppia è in una fase di fallimento riproduttivo - Quando una coppia ha un glio con anomalia cromosomica - In caso di sterilità fi fi fi fi fi fi  L’analisi non inizia dai test invasivi ma da un test combinato che ha dato esito positivo. Il test di screening fornisce una stima del rischio che il feto possa essere affetto da malattie cromosomiche vitali: - Sindrome di down – alterazione del cromosoma 21 - Sindrome di Edwards – alterazione del cromosoma 13 - Sindrome di Patau – alterazione del cromosoma 18 Questo test viene effettuato tramite il sangue materno periferico tra le 11° e la 13° settimana di gravidanza. Il test associa all’esame eco gra co della translucenza nucale (TN), il dosaggio biochimico di due ormoni del sangue materno (free-beta hCG e PAPP-A). In caso di trisomia 21 la frazione libera della gonadotropina corionica può avere un valore alto e la proteina A plasmatica associata alla gravidanza può essere invece diminuita. Sensibilità del test: 85% (15% di falsi negativi) Speci cità: 95% (5% di falsi positivi) Seppur presenta questi livelli alti di sensibilità e speci cità non rappresenta un test diagnostico. Il prelievo di sangue utile corrisponde a 20 mL messo in eparina, per impedirne la coagulazione; successivamente, le cellule ottenute vengono centrifugate e inserite nella coltura in vitro. COMPONENTI DELL’ANALISI CROMOSOMICA A PARTIRE DA UN PRELIEVO DI SANGUE Essa si compone di 7 fasi: 1. ALLESTIMENTO COLTURA CELLULARE La coltura cellulare viene fatta a partire da dei TERRENI (si tratta di tutto ciò che è essenziale alle cellule per sopravvivere: soluzioni saline isotoniche, amminoacidi, nucleotidi, vitamine, indicatori pH); vengono, poi, aggiunti dei SIERI (ovvero degli additivi come proteine, fattori di crescita, zuccheri); dei MITOGENI (sono delle sostanze che sono in grado di stimolare e accelerare la crescita cellulare, es toematoglutinina); in ne, vi sono dei VELENI MITOTICI (es colchicina, farmaci/sostanze che inibiscono il fuso mitotico per osservare i cromosomi nel corso della metafase). 2. ALLESTIMENTO DEL PREPARATO Il campione prelevato (20 mL di sangue periferico) viene messo in eparina, per impedirne la coagulazione; successivamente, le cellule ottenute vengono centrifugate e inserite nella coltura in vitro. In una seconda fase, viene bloccato il fuso mitotico tramite veleni mitotici, vengono rigon ate le cellule per osservarle meglio tramite soluzione ipotonica e, in ne, le cellule vengono posizionate sul vetrino per essere poi colorate. 3. COLORAZIONE Le colorazioni possono avvenire tramite giemsa (G-banding ) oppure tramite mostarda di Quinacrina. 4. MEMORIZZAZIONE DELL’IMMAGINE fi fi fi fi fi fi fi  5. CONTA DEI CROMOSOMI 6. RICOSTRUZIONE DEL CARIOTIPO 7. VALUTAZIONE FINALE La DIAGNOSI PRENATALE inizia da un prelievo di liquido amniotico – viene inserita una siringa nella pancia della donna gravida durante la gestazione per prelevare circa 20 mL di liquido amniotico; questa procedura viene fatta sotto controllo eco gra co per evitare danni al feto. È necessario che il prelievo di liquido amniotico venga fatto entro e non oltre la 16° settimana di vita del feto perché oltre le 16 settimana aumenta la percentuale delle cellule che non sono oggetto di studio (es cellule provenienti dalla madre). -> quelle necessario sono quelle del feto. ALLESTIMENTO DELLA COLTURA IN VITRO A PARTIRE DA UN PRELIEVO DI LIQUIDO AMNIOTICO L’allestimento della coltura si effettua dopo la centrifugazione del campione che permette di evidenziare una parte solida che si deposita sul fondo della provetta (si tratta di cellule) e una parte liquida chiamata sopranatante. In seguito alla centrifugazione si possono eseguire dei test biochimici grazie alle cellule del campione che si sono separate al di sotto della parte liquida (sopranatante). Questi test si basano su alfafetoproteina e acetilcolimnestrerasi (sostanze presenti in quantità superiori alla norma nel liquido quando il feto presenta un’anomalia di sviluppo del tipo neurale). Una volta ottenute le cellule si possono effettuare due tipi di analisi: - Analisi metafasi in situ – le cellule vengono immediatamente analizzate in seguito al bloccaggio della metafase, senza dover isolare o trasferire su un supporto esterno. - Analisi metafasi dopo sospensione – le cellule vengono prelevate dal liquido amniotico nella metafase, vengono coltivate in laboratorio per favorire la crescita e la divisone cellulare. In entrambi i casi, i campioni vengono incubati a 37°C al 5% CO2 per 7-10 giorni. Successivamente, i campioni vengono messi in colcemide e vengono osservati al microscopio. ALLESTIMENTO DELLA COLTURA DEI VILLI CORIALI Un altro tipo di prelievo è quello fatto a livello dei VILLI CORIALI. Essi vengono prelevati tramite una canula inserita nella cervice uterina sotto controllo eco gra co per evitare danni al feto. Il prelievo de villi coriali viene solitamente fatto in 3 momenti differenti della gravidanza e viene preferito qualora ci fosse un rischio per il feto di malattie associate al genere maschile (es X-linked recessive) oppure nel caso in cui il feto abbia dei genitori con una traslocazione cromosomica bilanciata (di per sé questa traslocazione non provoca danni nel genitore ma nel feto da essi fi fi  prodotto). I 3 momenti di prelievo dei campioni sono: 1° trimestre (10-13 settimane), 2° trimestre (14-28 settimane) e 3° trimestre ( no a 38-39 settimane). La morfologia del villo è diversa nei vari periodi della gestazione. Il prelievo dei campioni viene fatto dalla regione del corion frondoso poiché è particolarmente vascolarizzata dai villi coriali. Le cellule che possono essere prelevate sono di 3 tipi: 1. Citotrofoblasti – possono una attività mitotica spontanea, quindi particolarmente facile da analizzare per il gran numero di metafasi 2. Sinciziotroblasti 3. Cellule del mesenchima – crescono molto lentamente, quindi devono essere coltivate per più tempo per osservare metafasi L’allestimento della coltura dei villi coriali avviene a partire da una capsula petri in cui viene depositato il campione. L’analisi può avvenire in 2 modi diversi: - METODO DIRETTO A PARTIRE DA CELLULE DI CITOTROFOBLASTO: il campione viene messo in colcemide dopo 24 ore in assenza di siero e successivamente viene osservato al microscopio - METODO DELLA COLTURA A PARTIRE DA CELLULE DEL MESENCHIMA: il campione viene trattato con pronasi (isola le cellule del mesenchima interessate), viene coltivato e poi, dopo 10 giorni, viene osservato al microscopio La procedura standard prevede il prelievo dei frustoli di villi coriale e la divisione dell’analisi in due metodi. (Guarda foto) Quello che poi segue a questi 3 metodi (campione di prelievo di sangue, prelievo di liquido amniotico e prelievo di villo coriale) è l’analisi del cariotipo per osservare possibili alterazioni e, di conseguenza, malattie cromosomiche. LE MALATTIE GENETICHE La classi cazione delle malattie cromosomiche: - Malattie cromosomiche (anomalie di numero e di struttura) - Malattie mono genetiche (Mendeliane AD, AR, X-L) - Malattie multifattoriali (o poligenetiche) - sono interessati più geni - Malattie da mutazioni delle cellule somatiche - Malattie da mutazioni mitocondriali – sono le più rare - Malattie da mutazioni dinamiche – dovute all’espansione delle triplette nel tempo - Mutazioni da difetti dell’imprinting – malattie con un effetto parentale De nizioni fi fi fi  - MALATTIA CONGENITA: è presente alla nascita e non sempre è di origine genetica; - MALATTIA A CARATTERE EREDITARIO: è determinata geneticamente. Può essere mono genetica o poli genetica; - CASO SPORADICO: caso unico all’interno di una famiglia. Non esclude che si tratti di una malattia genetica. Le ANOMALIE CROMOSOMICHE sono associate a mutazioni che possono interessare il numero o la morfologia dei cromosomi; per questa ragione le mutazioni si dividono in anomalie numeriche dei cromosomi e anomalie strutturali dei cromosomi. Le ANOMALIE DEL NUMERO DEI CROMOSOMI sono chiamate aneuploidie e consistono nella presenza di copie in più o in meno di un cromosoma. Esse derivano da una alterazione nella separazione (non disgiunzione nella profase I o nella meiosi I) dei cromosomi durante la formazione dei gameti e nella maggior parte dei casi coinvolgono i cromosomi autosomi. Questo tipo di anomalie sono quasi sempre letali per il feto che viene abortito, mentre sono compatibili con la vita sono associate a speci che condizioni. Le anomalie cromosomiche sono tra le cause principali degli aborti spontanei (39,8% - 40%): - Trisomie autosomiche 49-52% - Turner 15-19% - Triploidia 15-16% - Tetraploidia 5-6% - Altre anomalie 6-14% Tra le aneuploidie degli autosomi ci sono: - Sindrome di down (trisomia 21): 47 cromosomi (+1 sul cromosoma 21) - Sindrome di Patau (trisomia 13): 47 cromosomi (+1 sul cromosoma 13) - Sindrome di Edwards (trisomia 18): 47 cromosomi (+1 sul cromosoma 18) Tra le aneuploidie dei cromosomi sessuali ci sono: - Sindrome di Turner - Sindrome di Klinefelter - Sindrome della tripla X Esistono, inoltre, delle cellule chiamate poliploidi: cellule che contengono multipli di tutta la serie di cromosomi (cariotipo multiplo). LA SINDROME DI DOWN – trisomia 21 Questa sindrome è caratterizzata da: - Brachidattilia - Clinodattilia fi  - Dif coltà nella concentrazione e nel linguaggio - Ipermobilità articolare - Macroglossia - Microcefalia - Polidattilia - Ritardo di crescita e ritardo mentale - Depressione SINDROME DI PATAU – trisomia 13 Questa sindrome è caratterizzata da: - Testa piccola (microcefalia) - Oloprosencefalia - mancata disgiunzione dei due encefali celebrali - Mielomeningocele (o spina bi da aperta) - Fronte inclinata - Naso largo - Orecchie basse e dalla forma inusuale - Difetti oculari di vario genere (microftalmia, ipotelorismo, anoftalmia, coloboma oculare e assenza della retina) - Labbro leporino e/o palatoschisi - Polidattilia (o iperdattilia) e camptodattilia (dita a ragno) - Aplasia della cute (o aplasia cutis) - Dif coltà respiratorie e difetti cardiaci SINDROME DI EDWARDS – trisomia 18 Si tratta di una sindrome rara (1/6500 nati) che deriva da una non disgiunzione materna a livello della meiosi I. Solo il 2,5% dei bambini con questa trisomia giunge alla nascita; poi, di questi, solo il 33% raggiunge il primo mese di vita e il 50% il secondo. Questa sindrome è caratterizzata da: - Peso sotto la norma, dif coltà suzione - Ipotonia - Idrocefalo - Epilessia - Malformazioni cardiache - Sinclinodattilia, unghie poco sviluppate fi fi fi fi  - Piedi a calcagno prominente o piede equino - Gambe incrociate TRISOMIE AUTOSOMICHE A MOSAICO - SINDROME DI WARKANY – trisomia 8 costituzionale a mosaico Si tratta di una sindrome che colpisce 1/30000 individui ed è caratterizzata da: - Profonde pliche palmari - Di smor a I facciali (labbro inferiore everso, volto lungo, occhi infossati, padiglioni auricolari ampi) - Mosaicismo limitato ai broblasti cutanei - Diagnosi attraverso biopsia cutanea perché la trisomia è limitata ai broblasti cutanei - Sindrome mielodisplastica a signi cato pre-neoplastico Le ANOMALIE DELLA STRUTTURA DEI CROMOSOMI O ABBREVIAZIONI Si tratta di alterazioni dei cromosomi durate la divisione cellulare che possono provocare l’aggiunta o la perdita di materiale cromosomico che viene rotto e riagganciato. Spesso questi ri- arrangiamenti vengono ripartiti in modo naturale, ma quando non è così si manifestano le anomalie, che possono essere classi cate in 2 gruppi: 1. Bilanciate – senza perdita o acquisizione apparente di materiale genetico 2. Sbilanciata – con perdita o acquisizione di materiale genetico Le anomalie possono consistere in: - Delezioni: viene cancellata una parte di un cromosoma. La gravità dipende dalle dimensioni della delezione - Duplicazioni: viene duplicata una parte del cromosoma - Traslocazioni: una parte di un cromosoma si sposta in un’altra parte dello stesso cromosoma (intra-cromosomica) o in un altro cromosoma (inter-cromosomica). Possono essere reciproche, quando due cromosomi si cambiano delle parti a vicenda, o non reciproche, quando solo una parte di un cromosoma si sposta in un altro - Inversioni: consiste nella rotazione di una parte di cromosoma in modo che la sequenza di geni risulti completamente opposta (ruota di 180 gradi) a quella di partenza - Anelli Le ANOMALIE DI STRUTTURA BILANCIATE sono identi cate nelle: 1. Traslocazioni bilanciate (intra o inter cromosomiche) 2. Inversioni (pericentriche e paracentriche) fi fi fi fi fi fi  3. Inserzioni 4. Traslocazioni acrocentriche o robertsoniane Tutte queste anomalie possono essere presenti in un individuo, dal punto di vista clinico, è del tutto sano oppure, come nel caso della neuro bromatosi, la presenza di una anomalia può interrompere un gene singolo e, di conseguenza, provocare una mancata funzione del gene interessato. Inoltre, queste anomalie possono portare alla diminuzione della fertilità e ad un aumento del rischio di generare progenie con anomalie di struttura sbilanciate. Le ANOMALIE DI STRUTTURA SBILANCIATE sono identi cate nelle: 1. Delezioni parziali (terminali o interstiziali) 2. Inserzioni 3. Duplicazioni parziali 4. Traslocazioni sbilanciate 5. Anelli 6. Isocromosomi 7. Cromosomi derivativi La varietà fenotipica associata a queste anomalie è notevole e particolarmente dif cile, a partire da queste anomalie, stabilire un corretto quadro clinico -> perché ci possono essere molti altri fattori che non rendono chiaro il quadro clinico (es la presenza di mutazioni su altri geni non interessati). I fatti, bisogna fare una distinzione tra delezioni pure e traslocazioni sbilanciate e polimor smi in geni modi catori o in geni che intervengono nello stesso pathway. LE TRASLOCAZIONI ROBERTSONIANE (ROB) coinvolgono i cromosomi acrocentrici 13, 14, 15, 21 e 22 -> il cromosoma 13 e 14 vengono detti der Nessuna regione cromosomica è assente, perché questi contengono un braccio corto privo di geni che può risultare perduto con la fusione dei bracci q di due cromosomi acrocentrici La più frequente traslocazione Robertsoniana è la rob 13 e 14 che rappresenta il 75% di tutte le rob Segue poi la rob 14 e 21 e la rob 21 fi fi fi fi fi  Si formano in genere durante la meiosi femminile e comportano infertilità maschile o abortività ripetuta. LE TRASLOCAZIONI RECIPROCHE Più comuni delle traslocazioni Robertosoniane perché interessano qualsiasi tipo di cromosoma e le rotture possono avvenire in qualsiasi punto dei cromosomi I soggetti portatori sono normali, ma il rischio di problemi è maggiore nel corso della meiosi. Classicamente associata alla leucemia mieloide cronica, il cromosoma Philadelphia conduce all’anomala congiunzione dei geni ABL e BCR provocando l’attivazione costitutiva dell’attività tirosina-chinasica di ABL, che normalmente è un protoncogene ma che viene così convertito in oncogene favorendo la trasformazione tumorale. -> traslocazione reciproca dei cromosomi 9 e 22 + arrangiamento ABL e BCR. Alcune delle con gurazioni che si possono originare nel corso della meiosi I che permettono di spiegare come a partire da un genitore portatore di una traslocazione cromosomica bilanciata si possono avere dei gameti con una condizione cromosomica normale, con una condizione cromosomica affetta da una traslocazione bilanciata o sbilanciata oppure con una condizione di trisomia. Quindi, a seconda della con gurazione iniziale che si ha nel corso della meiosi I, a partire dai cromosomi dei genitori, si possono avere due con gurazioni: 1. Con gurazione alternata – durante il processo di segregazione i gameti che vengono prodotti sono normali (cromosomi normali oppure traslocazioni cromosomiche bilanciate) 2. Con gurazione adiacente – durante il processo di segregazione I e II si producono gameti con condizione cromosomica di traslocazione sbilanciata oppure con trisomie (condizioni cliniche patologiche e signi cative) LE INVERSIONI Si caratterizzano per una rotazione di 180° di un segmento di cromosoma; la rotazione può essere pericentrica (il segmento invertito include il centromero) oppure paracentrica (il segmento invertito esclude il centromero). Le inversioni sono rare, diminuiscono la fertilità e possono non essere visibili al cariotipo. DELEZIONI PARZIALI – SINDROME DI WOLF-HIRSCHHORN o DELEZIONE PARZIALE 4P fi fi fi fi fi fi  Tipico naso a “elmetto greco” Ipertelorismo Disabilità intellettiva Microcefalia Micrognazia Cardiopatia congenita cn pervietà del dotto di Botallo Ritardo della crescita Epilessia Palatoschisi Stenosi polmonare DISORDINI GENOMICI Indica una sindrome costituzionale spesso associata a de cit cognitivo e anomalie multiple causata da riarrangiamenti strutturali di particolari regioni cromosomiche. Sono causati dalla presenza di regioni LCR o dupliconi (Low Copy Repeats) anche dette duplicazioni segmentali; si tratta di regioni con un elevato livello di omologia in corrispondenza delle quali c'è un'elevata frequenza di ricombinazione omologa non allelica che può causare delezioni, duplicazioni, inversioni, duplicazioni e cromosomi marcatori. SINDROMI DA GENI CONTIGUI Si tratta di sindromi associate associate a delezioni cromosomiche che portano alla perdita di geni contigui. Esempi sono la sindrome di Cri du chat (gli individui affetti da questa patologia miagolano, dovuta da una deformazione della laringe) e la sindrome di Wolf-Hirshhorn. TIPOLOGIE DI CROMOSOMI CROMOSOMI MARCATORI Sono piccoli cromosomi sovrannumerari con un proprio centromero. Si originano nell'80% delle volte da un cromosoma acrocentrico (di solito il 15) per duplicazione invertita dei satelliti e del centromero, quindi tratti di DNA ripetitivo che non provocano conseguenze dal punto di vista clinico. CROMOSOMI DERIVATIVI Si tratta di cromosomi che derivano da un cromosoma parzialmente deleto al quale si attacca un extrasegmento proveniente da un altro cromosoma. Di solito originano da una traslocazione sblianciata ereditata dai genitori oppure può trattarsi di un evento de novo. CROMOSOMI AD ANELLO fi Sono cromosomi risultato della fusione delle estremità terminali di un cromosoma, senza che sia alterato il numero totale dei cromosomi. Nel caso in cui siano conservate le regioni trascritte ciò che avviene è una congiunzione end-to-end che coinvolge le regioni subtelomeriche silenti. ISOCROMOSOMA Cromosoma anomalo nel quale uno dei bracci è duplicato, in modo tale che siano presenti due braccia di uguale lunghezza con i rispettivi loci organizzati in senso speculare, mentre l'altro braccio è deleto. SINDROMI DA MICRODELEZIONE E SINDROMI DA MICRODUPLICAZIONE Entrambe sono originate da degli errori nel corso della segregazione delle regioni LCR (low copy repeats). Le sindromi da microdelezione derivano da errori nella ricombinazione intracromosomica, intracromatidica e Intercromatidica. Sono sindromi più frequenti, le più gravi e le prime scoperte. Le sindromi da microduplicazione derivano da errori nella ricombinazione intracromosomica e intercromatidica. Le cause di queste sindromi sono delle CAUSE MOLECOLARI-> ricombinazione omologa non allelica mediato da dupliconi in grado di originare delezioni, duplicazioni, inversioni, traslocazioni e cromosomi marcatori. I dupliconi o Low Copy Repeats sono blocchi di poche sequenze ripetute con un'elevata omologia che misurano centinaia di kilobasi (200-400 kb) e si trovano localizzati in aree speci che come regioni subtelomeriche e pericentromeriche. SINDROME DA MICRODELEZIONE 22Q11.2 L'intervallo di delezione include 30 geni tra i quali TBX1 la cui aploinsuf cienza è responsabile di dismor smi facciali e dei difetti cardiaci. La sindrome prevede: dismor smi facciali (ptosi palpebrale, naso con punta bulbosa, orecchie a basso impianto) Tetralogia di Fallot Arco aortico interrotto Difetti del setto interatriale e interventricolare Trasposizione dei grandi vasi stenosi polmonare ritardo mentale di grado variabile Ritardo della crescita I CROMOSOMI SESSUALI LA DETERMINAZIONE DEL SESSO fi fi fi fi Nei mammiferi, la femmina ha due cromosomi uguali (XX) ed il maschio ha due cromosomi sessuali diversi (XY). Il sesso di un individuo è determinato dal cromosoma sessuale portatore del gamete maschile (X o Y), che si unisce al gamete femminile (sempre X). Nei mammiferi, in assenza dell’inattivazione del cromosoma X nella donna questa condizione potrebbe causare un sovradosaggio dell’espressione di tutti i geni contenuti, cioè si produce 2 volte più RNA. Nelle femmine uno dei due cromosomi X è inattivato casualmente in ciascuna cellula allo stadio di blastocisti. INATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X L'inattivazione del cromosoma X inizia dalla regione Xql3. In questa regione é presente il centro di inattivazione Xic che agisce in cis. È stato individuato un locus Xist che sembra essere il gene che controlla il processo di inattivazione. La mappatura di Xic e il clonaggio di Xist sono stati resi possibili grazie allo studio dei riarrangiamenti del cromosoma X in cui l'inattivazione non casuale: l'inattivazione dipende dal tipo di riarrangiamento. L'inattivazione del cromosoma X avviene intorno al 15° -16° giorno dell'embriogenesi (l'embrione é composto di circa 5000 cellule). Una volta che un cromosoma X (materno o paterno) è stato inattivato lo sarà in tutte le popolazioni cellulari che derivano da quella cellula. La casualità dell'inattivazione è tipica dei mammiferi: nei marsupiali viene inattivato preferenzialmente il cromosoma paterno. DEFINIZIONE DEL CORPO DI BARR Osservando le cellule somatiche dei mammiferi di sesso femminile si può notare che durante l'interfase si vede una piccola zona scura a livello del nucleo. Si tratta di una massa compatta di cromatina che si trova adiacente alla membrana nucleare delle cellule somatiche. Questa specie di "macchia" altro non è che uno dei cromosomi X che però risulta inattivo, poiché cromatina che lo compone è altamente condensata (eterocromatina). Di conseguenza le sequenze genetiche che contiene non possono essere trascritte e si afferma che il cromosoma è inattivo, a differenza dei maschi delle stesse specie. Inizialmente si riteneva che l'inattivazione coinvolgesse tutto il cromosoma, oggi sappiamo che non vengono inattivati i geni della regione pseudoautosomica: i geni di questa regione hanno un omologo sul cromosoma Y Non vengono inattivati geni che hanno pseudogeni sul cromosoma Y, e altri geni per i quali non si conosce la ragione. Comunque, il cromosoma X risulta inattivato al 90%. LE ANOMALIE DEI CROMOSOMI SESSUALI Si tratta di anomalie vitali, che comportano disturbi della fertilità e, generalmente, non associate a disabilità intellettiva o a fenotipi complessi. SINDROME DI KLINEFELTER 47, XXY 1:1000 maschi vivi Dovuta ad una non-disgiunzione meiotica Caratteri sessuali primari maschili Azoospermia/ sterilità  QI nella norma o leggermente inferiore Carenza di testosterone compensata dalla gonadotropina ipo saria FSH FEMMINE TRIPLO XXX Fertilità conservata Quoziente intellettiva nella norma o lievemente ridotto Oligomenorrea (riduzione dei cicli mestruali) Menopausa precoce MASCHI 47, XYY Fertili Alta statura, RPM (ritardo psicomotorio), problemi comportamentali LE MALATTIE MENDELIANE Delle malattie mendeliane fanno parte le MALATTIE AUTOSOMICHE DOMINANTI, MALATTIE AUTOSOMICHE RECESSIVE e MALATTIE X-LINKED RECESSIVA e X-LINKED DOMINANTE. 1. MALATTIE AUTOSOMICHE DOMINANTI Le malattie autosomiche dominanti si manifestano quando è presente almeno un allele difettoso (quindi se almeno un genitore è portatore della mutazione. Possono essere colpiti sia i maschi che le femmine ed entrambi possono trasmettere la malattia alla propria progenie. Appartiene a questo gruppo di malattie la poliposi adenomatosa familiare (FAP), dovuta a mutazioni germinali nel gene APC, che predispone all'insorgenza del cancro del colon-retto. (RIVEDERE SCHEMA DELL’ALBERO GENEALOGICO) Il rischio di ricorrenza di una malattia AD ereditata da un genitore affetto è del 50%. In alcuni casi nella prole si osservano numerosi casi affetti dalla stessa malattia in assenza di genitori affetti. Ciò può essere dovuto al mosaicismo germinale per la mutazione presente nei genitori. ECCEZIONI: - nel caso dei tumori/casi sporadici, la mutazione si sviluppa de novo casualmente senza che si sia una predisposizione familiare Per molte patologie ad eredità autosomica dominante non si osserva una trasmissione verticale della malattia, bensì singoli casi sporadici fi  all'interno delle famiglie. Questo può essere dovuto alla particolare severità dei fenotipi associati che impattano negativamente sulla tness dell'individuo portatore della mutazione. - Difetto di penetranza Penetranza incompleta -> La penetranza può essere espressa in percentuale considerando il numero di individui portatori di un difetto genetico che manifestano il fenotipo corrispondente associato. Se in 100 individui portatori di una mutazione, 80 manifestano la malattia allora la penetranza sarà incompleta (o ridotta) e sarà dell'80%. È un fenomeno che si osserva nelle malattie a trasmissione autosomica dominante (es. mutazioni a carico del gene della polidattilia). - Espressività variabile del gene Si de nisce espressività variabile (o pleiotropia o pleiotropismo) il fenomeno per il quale una malattia genetica presenta, nell'ambito di uno spettro de nito, manifestazioni cliniche diverse da individuo a individuo con diversi gradi di severità. - Semidominanza - Mutazione de novo - Individui con lo stesso genotipo possono mostrare gradi diversi dello stesso fenotipo. Questo fenomeno è indicato con il nome di espressività. Parlando di malattie ciò signi ca che la malattia si presenta con una gravità variabile - Nella semi-dominanza, dalla combinazione di due alleli si ottiene un fenotipo intermedio diverso da quello di entrambi i genitori (ad esempio, quando dall'incrocio di un ore bianco e di un ore rosso, si ottiene un ore rosa). MALATTIA DI HUNTINGTON La malattia di Huntington (HD) è una patologia risultante dalla degenerazione geneticamente programmata di neuroni del sistema extrapiramidale e fa parte delle cosiddette sindromi ipercinetiche. Questa degenerazione causa movimenti incontrollati, simili a quelli di una danza (corèa, da qui anche il nome di Corea di Huntington), perdita di facoltà intellettive e disturbi emozionali. Si veri ca, in particolare, la progressiva, selettiva perdita di cellule neurali a livello del nucleo caudato e del putamen. ACONDROPLASIA L'acondroplasia è una displasia scheletrica, vale a dire una malattia caratterizzata da uno sviluppo anomalo dello scheletro, caratterizzata da ipostaturalità con arti sproporzionatamente brevi, capo voluminoso e tronco di dimensioni normali. La frequenza è di circa 1/25.000 nati vivi. Un esempio di gain-of-function si veri ca nella acondroplasia o nanismo. Il nanismo è causato da una versione difettosa del gene FGFR3 (Recettore del fattore di crescita dei broblasti N. 3). Il normale compito di FGFR3 è prevenire la crescita ossea. La versione non funzionante di FGFR3 è iperattiva - dice alle ossa di smettere di crescere anche quando dovrebbero crescere. La proteina iperattiva FGF3 fa sì che le ossa di una persona siano molto più corte del normale. Anche se una persona ha una copia normale di FGFR3 in giro, la versione spezzata invia un segnale che è troppo forte, e dal momento che vince, è chiamato un allele dominante. fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi  2. MALATTIE AUTOSOMICHE RECESSIVE Caratterizzata da una trasmissione orizzontale -> in alcune famiglie che presentano dei consanguinei (doppia linea nella 3° gen) vi è un aumento delle malattie autosomiche recessive che dipendono quasi sempre dalla presenza di due alleli (madre e padre) dell’individuo affetto; nei consanguinei aumenta il materiale genetico e, di conseguenza, aumenta la probabilità che si sviluppi una malattia autosomica recessiva. Trasmissione orizzontale perché si osserva un salto generazionale. Le malattie autosomiche recessive si manifestano quando entrambi gli alleli sono mutati (entrambi i genitori devono avere almeno un allele difettoso) comportando una perdita di funzione (loss of function) della proteina codi cata dal gene interessato. Di solito i genitori non mostrano segni della malattia, mentre i gli di genitori eterozigoti (con un allele sano e uno difettoso) hanno una probabilità su quattro di essere affetti dalla malattia. La SINDROME DI BLOOM è un esempio di queste malattie: è dovuta a mutazioni del gene BLM che codi ca un enzima che serve a mantenere integro il genoma e predispone all'insorgenza di diversi tipi di tumori. LA FIBROSI CISTICA Si tratta di una malattia genetica ereditaria, multisistemica, a carattere cronico-evolutivo. La brosi cistica (o mucoviscidosi) è una malattia genetica che colpisce i sistemi respiratorio, digestivo e riproduttivo. Essa è causata dalla produzione di muco anormalmente denso derivante dalla codi ca della proteina CFTR. La malattia può portare a infezioni polmonari fatali. Può anche provocare disfunzione del pancreas e ostruzione ai dotti biliari, ostacolando la digestione. La brosi cistica (CF) è uno dei più comuni disordini genetici. Colpisce circa 1 su 2500 individui di origine caucasica europea. Tuttavia, l'incidenza è variabile nelle diverse popolazioni mondiali: Nell'Unione europea 1 su 2000/3000 neonati sono affetti da CF. Negli USA, l'incidenza di FC è 1 ogni 3500 nati; in Asia, la prevalenza della FC è invece più rara. La PROTEINA CFTR funziona come un canale di membrana cellulare: un canale ionico capace di trasportare ioni cloruro (Cl) dentro e fuori le cellule. Normalmente, la proteina consente il movimento di ioni cloruro presenti nella cellula epiteliale verso la super cie delle vie respiratorie. Nel fare ciò crea un gradiente osmotico capace di muovere molecole di acqua. Il movimento di acqua fuori dalla cellula è necessario per mantenere il muco uido e sottile. Questo strato d'acqua è importante anche per consentire alle ciglia delle cellule polmonari, di muoversi e spostare il muco fuori dalle vie aeree. Le malattie legate all' X sono dovute a mutazioni nei geni presenti sul cromosoma X. Sono quasi tutte malattie recessive. Poiché il cromosoma X e il cromosoma Y per gran parte non sono omologhi, un allele mutato sul cromosoma X non ha un allele appaiato sul cromosoma Y. Queste malattie si manifestano solo nei maschi. Un maschio affetto non trasmette la malattia ai gli, ma fi fi fi fi fi fi fl fi fi  tutte le glie sono portatrici dell'allele mutato. I gli delle madri eterozigoti hanno una probabilità su due di ereditare il gene mutato. Appartengono a queste malattie L'EMOFILIA (un gruppo di malattie in cui il sangue non coagula normalmente) e la DISTROFIA MUSCOLARE DI DUCHENNE (grave insuf cienza dei muscoli volontari). Altri tipi di malattie legate al sesso sono il DALTONISMO (incapacità di percepire in modo corretto alcuni colori) e la SINDROME DELL’X FRAGILE (parzialmente dominante, causa ritardo mentale). 3. MALATTIE A TRASMISSIONE X-LINKED RECESSIVE Si tratta di malattie che vengono trasmesse dalle donne ai soli uomini. EMOFILIA 80% è rappresentato dall'emo lia di tipo A (1:10.000) L'emo lia è una malattia rara, congenita ed ereditaria, causata da un de cit di alcune proteine della coagulazione del sangue. Chi ne è affetto ha una maggior tendenza alle emorragie, sia spontanee, sia post traumatiche. In quanto X-Linked recessiva, ogni glio maschio ha il 50% di rischio di ereditare il gene malato della madre portatrice in eterozigosi. Le donne portatrici presentano in genere valori di fattore VIII pari al 50%, e quindi sono «asintomatiche». In rari casi, per il processo di «Lyonizzazione», la madre eredita dal padre il gene malato, ma venendo silenziato il cromosoma X sano, essa risulta sintomatica, anche se portatrice in eterozigosi. In quanto X-Linked recessiva, ogni glio maschio ha il 50% di rischio di ereditare il gene malato della madre portatrice in eterozigosi. Le donne portatrici presentano in genere valori di fattore VIII pari al 50%, e quindi sono «asintomatiche» In rari casi, per il processo di «Lyonizzazione», la madre eredita dal padre il gene malato, ma venendo silenziato il cromosoma X sano, essa risulta sintomatica, anche se portatrice in eterozigosi. 4. MALATTIE A TRASMISSIONE X-LINKED DOMINANTE In questo caso sono malate più frequentemente le donne perché per gli uomini sono delle malattie per lo più letali. Uno dei metodi per distinguere le malattie a trasmissione x-linked dominante (affetto il padre e maschi e femmine nella gen dopo) da quelle malattie autosomiche dominanti (affetto il padre e le glie nella gen dopo) è vedere il tasso di incidenza nelle generazioni successive. SINDROME DI RETT Incidenza 1:10.000 nati Causata da difetti nell'arborizzazione dendritica Colpisce prevalentemente le donne Microcefalia, tipiche stereotipie delle mani e nel cammino (sulle punte), autismo, scoliosi 4 stadi clinici: in un primo stadio lo sviluppo è normale, seguito da una fase di regressione, successivamente lo sviluppo si stabilizza per poi regredire nuovamente. fi fi fi fi fi fi fi fi fi  Causata da mutazioni nel gene MeCP2 localizzato nel cromosoma X (e CDKL5 e FOXG1) Esiste una relazione genotipo-fenotipo, ovvero le caratteristiche cliniche della RTT cambiano in funzione della mutazione genetica ECCEZIONI ALL’EREDITÀ MENDELIANA - Caratteri qualitativi o dicotomici (eredità mendeliana) -> Fenomeno del tipo "tutto o nulla" - Caratteri semiquantitativi o discontinui se la loro manifestazione dipende dal superamento di una soglia -> Fattori genetici e fattori ambientali - Caratteri quantitativi (es. pressione sanguigna, livelli di colesterolo) -> Più loci responsabili del fenotipo o QTL quantitative trait loci Una malattia multifattoriale (o politecnica) è l’AUTISMO. Si tratta di una malattia determinata da tantissimi fattori/geni, solitamente ereditati a basso rischio (mutazioni mono geniche, anomalie a livello dei cromosomi,….). L'autismo è una malattia multifattoriale causata da molteplici varianti genetiche e da diversi fattori ambientali. Le cause genetiche includono mutazioni puntiformi, riarrangiamenti cromosomici, o variazioni del numero di copie (CNVs o Copy Number Variations). Le varianti puntiformi responsabili sono de novo in circa il 10% dei casi mentre nella maggior parte dei casi si ritrovano varianti ereditate in più geni candidati (eteroziga oligogenica). I modelli di trasmissione sono sia di tipo AD (autosomica dominante), AR (autosomica recessiva), X-linked dominante e X-linked recessivo. Diversi meccanismi causativi sono noti oltre alle varianti puntiformi, tra i quali sindrome da geni contigui, anomalie dell'imprinting, espansione da triplette instabili, delezioni e duplicazioni cromosomiche. Altri esempi sono la SCLEROSI MULTIPLA o LA PALATOSCHISI. Af nché queste malattie siano presenti è necessario il superamento di una soglia. Solitamente il rischio di sviluppare una malattia multifattoriale è rappresentato da una guassiana: l’estremità a destra dopo la soglia indica quale è il rischio per i familiari di sviluppare la malattia; il rischio aumenta man mano che ci si avvicina verso la soglia. Il rischio di sviluppare la malattia è direttamente proporzionale al rapporto di parentela (quanto sono più vicine le generazioni). Il calcolo del rischio relativo alla popolazione familiare = aggregazione familiare -> si calcola con la formula: (prevalenza della malattia in un parente di un soggetto affetto) / (prevalenza nella popolazione generale). EREDITARIETÀ DIGENICA Ereditarietà digenica con EFFETTO ADDITIVO (es. sordità) neurosensoriale dovuta a mutazioni in GJB2 e GJB6. GJB2 è suf ciente a determinare il fenotipo ma mutazioni in GJB6 aggravano la condizione agendo da modi catore. Ereditarietà digenica con EFFETTO SINERGICO (es. retinite pigmentosa) dovuta a mutazioni nei geni RDS e ROM1. In questo tipo di ereditarietà entrambe le mutazioni sono necessarie al manifestarsi del fenotipo. fi fi fi  MALATTIE DA MUTAZIONI SOMATICHE Mutazioni somatiche: variazioni del genoma umano a insorgenza post-zigotica. Se insorgono in una fase iniziale dello sviluppo si possono originare dei mosaici per la mutazione. Possono essere spontanee o indotte (da natura ambientale da una radiazione ionizzante o ultravioletta oppure da una infezione) Possono interessare oncogeni e oncosoppressori: o Oncogeni – sono forme mutate o attive di proto-oncogeni, che sono geni normali coinvolti nella regolazione della crescita e divisione della cellula. La mutazione nei proto-oncogeni può renderli iperattivi o costitutivamente attivi, causando una proliferazione cellulare incontrollata e favorendo lo sviluppo tumorale. Ereditarietà: dominante. o Oncosoppressori – sono geni che, in condizioni normali,inibiscono la crescita cellulare, riparano il DNA danneggiato e promuovono l’apoptosi (morte cellulare prpogrammata). Entrambe le copie del gene devono essere mutate per perdere la funzione. Ereditarietà: recessiva. Sono implicate nella trasformazione tumorale (da 5 a 8 mutazioni per cellula) e nell'invecchiamento DIFFERENZE TRA LE VARIE ANOMALIE DEI TUMORI - Chromosomal aberrations and genomic rearrangements -> Anomalie bilanciate e Anomalie quantitative - Epigenetic mutations -> Ipoespressione o iperespressione genica - Point mutations -> Ampli cazione genica e Frameshift, missenso, mutazioni di stop... GENETICA DEL CANCRO Mutazioni a carico di geni che codi cano le proteine del ciclo cellulare possono alterare la regolare crescita cellulare e consentire una proliferazione eccessiva e lo sviluppo di tumori. I geni interessati si dividono in due gruppi. 1. Proto-oncogeni: (fattori di crescita, ed i loro recettori, trasduttori del segnale, fattori di trascrizione). 2. Oncosoppressori regolatori del ciclo cellulare, dell'apoptosi, geni coinvolti nei meccanismi di riparazione del DNA. Al contrario delle malattie monogeniche in cui una singola mutazione in un singolo gene è suf ciente af nché si manifesti la malattia, nel cancro è necessario che più geni siano mutati. RETINOBLASTOMA (AR) Confronto tra retinoblastoma sporadico (A), in cui si veri cano 2 mutazioni indipendenti (“colpi”) nel gene RB1 in una cellula somatica, e retinoblastoma ereditario (B), in cui è presente una mutazione germinale in ogni cellula e possono insorgere seconde mutazioni in più cellule, portando alla formazione di tumori multipli. fi fi fi fi fi MALATTIE MITOCONDRIALI Es. Atro a ottica dominante, de cit di COX dovuto ad alterazioni dei geni nucleari, Neuropatia ottica ereditaria di Leber, Sindrome di Pearson, Neuropatia ,atassia e retinite pigmentosa (NARP), Sindrome da deplezione del mtDNA... Trasmesse dalle donne perché -> i mitocondri nel corso della fertilizzazione vengono condivisi dalla donna (l’oocita ha i mitocondri che vengono trasmessi allo zigote); i gameti maschili trasmettono solo una piccola percentuale dei mitocondri. FENOMENO “COLLO DI BOTTIGLIA MITOCONDRIALE” Nel corso della produzione degli oociti primari, un numero selezionato di DNA mitocondriali (mtDNA) vengono trasferite in ogni oocita. La maturazione degli oociti è associata con la rapida replicazone di mtDNA. Questa restrizione-ampli cazione può portare ad un cambiamento casuale del carico mutazionale del mtDNA ed è responsabile per i livelli variabili di mtDNA osservati nella progenie affetta da madri con mutazioni mitocondriali patogenetiche. I mitocondri mutati sono indicati in rosso, quelli con mitocondri normali sono verdi. I genotipi mitocondriali di un individuo sono tutti identici (omoplasmia). Tuttavia, il mtDNA ha un tasso elevato di mutazioni spontanee (per lo più transizioni). Quando una mutazione si è ssata in una cellula, quella cellula non è più omoplasmica ma è diventata eteroplasmica. La gran parte delle mutazioni del mtDNA patogene nell'uomo si ritrovano in eteroplasmia (l'omoplasmi