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Genetica medica

Genoma umano

Genoma umano = assetto del DNA in una determinata specie vivente. In particolare, nell’uomo ci sono circa, in ogni cellula, 2 metri di DNA, ciascuna con 46 cromosomi, ovvero 46 filamenti di DNA.

Il termine genoma indica non solo DNA nucleare, ma anche, se specificato, DNA dei mitocondri oppure dei cloroplasti, genoma mitocondriale, ed inoltre può contenere anche informazioni extra cromosomiali come plasmidi, elementi trasponibili ecc...

Inoltre esso contiene una parte codificante, geni, ed una non.

Gene

Essere costituiti da sequenze di basi azotate, in genere per ogni gene, ce ne sono molte centinaia, ovvero da una sequenza nucleotidica di DNA che codifica per un “prodotto genico” finale, che può essere o un RNA strutturale o catalitico, oppure un polipeptide, proteina, enzima.

Nella sequenza nucleotidica di DNA di cui il gene è costituito, ci sono regioni codificanti, esoni, e regioni non codificanti, introni.

Il gene è considerato l’unità ereditaria fondamentale degli organismi viventi.

Cromosoma

Cromosoma = è la struttura densata del DNA. Di per sé, è una struttura filamentosa e allungata costituita da “cromatina” nel nucleo. Diventa visibile solo durante la divisione cellulare, mitosi e meiosi. Precisamente 1 cromosoma è costituito da 1 sola molecola di DNA, molto lunga, o in alcuni virus da RNA. Ha una tipica forma a bastoncino ed è composto da 2 “cromatidi” che contengono ognuno una copia dello stesso gene, uniti in corrispondenza del “centromero”, non è detto che sia sempre al centro, che contiene DNA che non codifica, a satellite. Il numero, la forma e la grandezza è costante in ogni specie. Nell’uomo sono 46.

La parte finale del cromosoma è definito “telomero”, e ha la particolare caratteristica di accorciarsi sempre di più con l’avanzare dell’età, inoltre contiene DNA altamente ripetuto che non codifica perché nelle divisioni cellulari queste regioni possono essere perse. Quindi più sequenze ci sono più l’individuo è giovane.

Inoltre nei cromosomi si distinguono:

• Bande G scure: ricche di adenina e timina, povere di geni.
• Bande G chiare: ricche di guanina e citosina, ricche di regioni che codificano geni.

Tecnica FISH: che permette di osservare al microscopio, grazie all’emissione di fluorescenza, alcune modificazioni dei cromosomi. È una tecnica assolutamente ad alta risoluzione.

Cromosomi omologhi

Omologhi = cromosomi dotati di patrimonio genetico analogo, che si appaiono nel “processo di meiosi” essendo uno di origine paterna, l’altro di origine materna. Quindi questi cromosomi hanno gli stessi geni con le stesse identiche informazioni. Però non è detto che abbiano lo stesso numero di alleli. Comunque, nell’uomo vi sono 46 cromosomi distribuiti in questo modo:

• 22 coppie di omologhi non-sessuali, autosomi.
• 1 coppia di cromosomi, non omologhi, sessuali, eterosomi. “XX” nella femmina, “XY” nel maschio.

L’insieme dei 46 cromosomi formano quello che è il “cariotipo” dell’uomo.

Sempre nell’uomo, questo corredo cromosomico è infatti definito un corredo “diploide”, il che vuol dire che per ogni cromosoma ce ne è una sua copia, ecco perché sono omologhi.

Il corredo diploide non è ovviamente valido per le cellule germinali, ovvero le sessuali, per cui non avremo 46 cromosomi, ma 23.

Quindi tutti noi abbiamo lo stesso genoma, ma allora ci si domanda da cosa nasce la diversità? Nasce dal “genotipo”.

Genotipo e fenotipo

Genotipo = questo termine si riferisce all’insieme di tutti i geni che compongono il DNA di un organismo, corredo genetico, identità genetica, costituzione genetica. Ogni gene contribuisce o singolarmente o in cooperazione, in maniera diversa allo sviluppo e al mantenimento funzionale dell’organismo.

Ed in che modo questa diversità è osservabile? Cioè come si palesa?

Fenotipo = l’insieme di tutti i caratteri osservabili dell’organismo, caratteristiche fisiche, biochimiche, mentali e dunque anche comportamentali.

È però da chiarire, il fatto che il genotipo da solo non determina il fenotipo, perché quest’ultimo può essere modificato dall’ambiente esterno e da fattori che comunque non hanno nulla a che vedere con il genotipo. Quindi, ad esempio, due gemelli monozigoti aventi lo stesso identico genotipo, non è detto che abbiano stesso fenotipo.

Nel caso in cui invece il fenotipo corrisponde esattamente al genotipo, si parla di tratti mendeliani semplici. Albinismo. I caratteri in questo caso si dicono “dicotomici”, on/off, trasmessi mediante le leggi di Mendel.

La maggior parte dei geni si trasmettono mediante leggi di Mendel, ma siccome ce ne sono davvero tantissimi non c’è di fatto una regola di trasmissione, dunque non è detto che sia sempre così.

Esempi in cui il fenotipo può modificarsi

• Statura. In questo caso il fenotipo è dovuto alla somma tra ciò che è determinato dal genotipo, e ciò che l’ambiente esterno influenza. In questo caso si parla di “tratti complessi”, e quindi di un’eredità multigenica. Nei tratti complessi i caratteri si dicono “quantitativi”, ovvero che possono misurarsi. Un altro esempio di tratto complesso che forse meglio rappresenta l’interazione tra geni e ambiente, è il peso. Sappiamo che di certo c’è un fattore genetico predisponente, ma che questo carattere quantitativo, a livello del fenotipo può non mostrarsi coerentemente, perché l’ambiente esterno ovvero ciò che mangiamo, come mangiamo, il livello di stress o tranquillità, il livello di movimento, è assolutamente variabile e mai costante. Dunque questo non è un carattere dicotomico, on/off.

F = G + A

• Colore capelli. In questo caso sappiamo che al giorno d’oggi il colore dei capelli può facilmente essere modificato mediante l’utilizzo di tinture per capelli. E dunque in questo caso non c’è nemmeno una interazione tra geni e ambiente, perché ciò che vediamo non è per nulla genetico ma completamente “ambientale”.

F = A

F ≠ G

Tutto questo discorso è ovviamente valido anche per le malattie, che quindi possono essere o solo genetiche, o dovute a traumi, no genetica, o derivanti da interazioni tra geni e ambiente, es. malattie psichiche.

Cosa vuol dire avere genotipo diverso? Non vuol dire avere geni diversi, ma avere varianti diverse dello stesso gene.

Diversa etnia nell’uomo, infatti a cosa è dovuta? Solo al genotipo differente? Oppure anche a una diversa cultura di etnia in termini di corteggiamento? Se ci pensiamo, molto di quello che noi vediamo non è genetico. Parlando di “variabilità genetica”, infatti:

• Interindividuale: 85%.
• Intercontinentale: 10%.
• Interaziale, interetnica: 5%.

Ha davvero senso parlare di razze diverse?

Eugenetica

Eugenetica: studio dei metodi volti al perfezionamento della specie umana, favorendo, eugenetica positiva, le riproduzioni, oppure proibendole, eugenetica negativa.

Eugenismo: ideologia che ritiene che la soluzione di problemi politici, sociali, economici o sanitari, sia la sterilizzazione.

Sterilizzazioni eugenetiche:

• Germania, oltre 400000.
• Stati Uniti, 65000.
• Svezia, 62880.
• Finlandia, 58000.

Ecc...

Programma Aktion T4: programma nazista di eutanasia che ha portato, sotto la responsabilità medica, la soppressione di persone affette da malattie genetiche inguaribili, che venivano definite “vite indegne di essere vissute”. Questo programma ha portato all’uccisione di 100000 persone, e anche dopo il termine del programma, continuarono, fino ad un totale di 200000 vittime.

Le fasi:

• Sterilizzazione coatta, 1933-1939, di circa 300000 persone.
• Uccisione dei bambini malati, 1938-1941, e fu anche fondato un comitato del Reich per il rilevamento scientifico delle malattie.
• Uccisione di adulti, compresi i non ariani, per un totale di circa 70000 persone.

Ma la sterilizzazione, successe anche in America, dove spopolavano le “eugenics building”, edifici in cui si radunavano i sostenitori dell’eugenismo.

Le mutazioni

Le basi molecolari delle malattie genetiche

Per “mutazioni” si intende proprio dei cambi, stabili ed ereditabili, nella normale sequenza del DNA in una cellula. Dunque, una mutazione, comporta una modifica del genotipo dell’individuo e può eventualmente modificarne il fenotipo.

Possono colpire:

• I cromosomi, alterazioni cromosomiche numeriche o strutturali, dunque l’intero corredo.
• Singoli geni, delezioni o duplicazioni intrageniche.
• Variazione di sequenza del DNA che interessa uno o pochi nucleotidi, fino a 50, mutazioni puntiformi, dunque porzioni del genoma. Questa mutazione può essere neutra, poiché gran parte del DNA in un genoma eucariotico non codifica prodotti proteici, oppure può avere un notevole impatto sul fenotipo come accade per esempio nell’anemia falciforme. Le mutazioni per sostituzione di basi determinano lo scambio di un nucleotide per un altro. Sono definite transizioni se c’è uno scambio di una purina con un'altra purina, sono definite transversioni quando lo scambio è di una purina con una pirimidina o viceversa, più frequenti.

Mutazioni germinali: colpiscono cellule germinali, spermatozoi o ovocellule, e sono trasmissibili alle generazioni successive. Possono eventualmente provocare malattie genetiche ereditarie.

Mutazioni somatiche: colpiscono cellule somatiche, ossia qualsiasi cellula del corpo eccetto quelle germinali, e non sono trasmissibili alla prole. Però se avvengono in una cellula somatica, queste mutazioni saranno presenti, insieme ai relativi effetti, a tutte le cellule che, per mitosi, derivano da essa. Es. cancro.

Sequenza “wild type”: presente normalmente in natura, non patologica. La versione di un gene considerata più comune in natura.

Tipi di mutazioni puntiformi

Mutazione silente: mutazione che però non manifesta effetti negativi, né positivi, dunque neutra e non patologica. Consiste in un’alterazione della tripletta codificante per un amminoacido che in seguito a questa mutazione codifica sempre per lo stesso amminoacido pur cambiando la sequenza genica.

Mutazione missenso: produce una proteina diversa, a volte patologica, anemia falciforme, altre volte no, perché l’amminoacido sostituto può avere anche delle proprietà simili all’amminoacido originario.

Delezione in frame e inserzioni in frame: determinano l’eliminazione o l’aggiunta di una tripletta o di un numero di nucleotidi divisibile per 3. Comporta l’eliminazione o l’aggiunta di amminoacidi nella proteina codificata. Conseguenze molto varie.

Mutazione di stop, mutazioni nonsenso: sicuramente patologica perché la proteina viene interrotta, cioè proprio non viene sintetizzata, oppure è tronca, non funzionale o nociva. Si verifica quando la mutazione ad un nucleotide di una tripletta determina la trasformazione di un codone codificante un amminoacido in un codone di stop. Se però, il codone di stop si trova ad almeno 50 nucleotidi dalla sequenza di splicing più vicina dell’mRNA, la cellula attiva un meccanismo di protezione, NMD, che degrada l’mRNA mutato. In alternativa è possibile che si attivi un altro meccanismo noto come NAS che esclude l’esone contenente la tripletta mutata in codone di stop, permettendo l’associazione degli altri esoni con il risultato di una proteina più corta.

Mutazione frameshift: la tripletta che codifica per un amminoacido perde una base, dunque si sposta tutto, e si finisce per produrre una proteina completamente diversa, che fa impazzire la cellula. Questa mutazione è sicuramente patologica.

Mutazione di splicing: sono un insieme di quattro tipi di mutazioni che coinvolgono sequenze importanti per lo splicing del pre mRNA.

NB: se la mutazione si trova nel promotore, e non sul gene, in questo caso si blocca proprio la trascrizione e la proteina proprio non può essere sintetizzata.

I geni mutati possono portare a:

• Perdita di funzione, assenza del prodotto proteico normale del gene.
• Acquisto di funzione, presenza di un nuovo prodotto proteico con funzioni diverse da quello originale.

Mutazioni letali: provocano morte del 100% dei portatori prima della pubertà.

Mutazioni subletali: provocano morte più del 50%, ma mai il 100, dei portatori prima della pubertà.

Mutazioni neutrali: non modificano né in positivo né in negativo la salute.

Mutazioni vantaggiose: favorevoli della specie, aumentano la fitness riproduttiva dei portatori.

Una stessa mutazione può avere infatti effetti diversi in base all’ambiente in cui vive, ad es. la talassemia. È una malattia mortale che produce, allo stato omozigote, una forma grave di anemia, mutazione letale. Ma in condizione di eterozigosi invece il portatore è sano, mutazione neutra. Addirittura è stato visto che questa mutazione in eterozigosi protegge in alcuni contesti dall’infezione della malaria, mutazione vantaggiosa.

Come si originano le mutazioni?

• Spontanee: si creano casualmente durante la duplicazione del DNA, in caso di errore, difficilmente prevedibili.
• Indotte: esposizione dell’individuo a sostanze chimiche o agenti fisici potenzialmente prevedibili, es. fumo di sigarette.

Il rischio ovviamente di entrambe le mutazioni si sommano.

Agenti mutageni:

• Chimici: acido nitroso, analogici delle basi, farmaci, fumo, tinture per capelli, coloranti alimentari.
• Fisici: raggi X, penetranti, raggi gamma, raggi UV, non penetranti, si fermano sulla pelle ed aumentano il rischio del tumore alla pelle.
• Aumentata età dei genitori: età paterna, mutazioni puntiformi, età materna, anomalie cromosomiche.

La riparazione del DNA

A volte la mutazione può coinvolgere gli stessi sistemi di riparazione, meccanismo alla base di molti tumori.

La storia di Thimoty

Bimbo di 2 anni che manifesta un problema della pelle, ovvero la comparsa improvvisa ed eccessiva di lentiggini, in particolare in seguito alle esposizioni anche brevissime al sole. Oltre alle lentiggini appaiono anche ustioni. L’altezza è nella norma per un bimbo di due anni, rientra nel 50 esimo centile, ma la circonferenza cranica risulta essere molto piccola, intorno al 20 esimo centile. La diagnosi è “xeroderma pigmentosa”. Le lesioni che presenta sono ad alto rischio di divenire tumori, per cui bisogna tenere il bimbo lontano dall’esposizione solare. Questa patologia deriva da una mutazione dei geni che proteggono dai danni del DNA a causa dei raggi UV. È una malattia autosomica recessiva in cui i 2 genitori sono portatori sani.

Delezione genica e duplicazione

Delezione genica: perdita di un pezzo di gene. Dunque è una perdita di materiale genetico che può portare a gravi anomalie in un organismo. L’assenza del gene può essere causata da un numero qualsiasi di caratteristiche, inclusi errori durante la meiosi, la rottura e la traslocazione.

Duplicazione: è il processo mediante il quale viene duplicato un cromosoma o una porzione di DNA, risultando in una copia aggiuntiva di un gene. La duplicazione genica viene anche definita duplicazione cromosomica o amplificazione genica. La duplicazione, che significa raddoppiare, si traduce in due geni identici.

Distrofia muscolare di Duchenne e piede cavo

Distrofia muscolare di Duchenne

Una malattia ereditaria caratterizzata da debolezza muscolare progressiva. I bambini con DMD avranno difficoltà a stare in piedi e camminare.

I bambini DMD iniziano a mostrare segni e sintomi prima dei 6 anni e includono:

• Debolezza muscolare progressiva.
• Difficoltà a camminare.
• Perdita di capacità nelle attività di routine.
• Cadute frequenti.
• Difficoltà di apprendimento.
• Vitelli ingrossati.
• Fatica.
• Debolezza alle gambe, bacino, braccia e collo che sta rapidamente peggiorando.
• Mancato sviluppo delle capacità motorie.

Causato da un difetto genetico, mutazione, che colpisce il gene che aiuta il corpo a produrre una proteina chiamata distrofina. La distrofina mantiene intatti i muscoli. L'assenza della proteina provoca la degenerazione muscolare. La malattia segue un modello di ereditarietà recessiva legata all'X. Ciò significa che i maschi hanno molte più probabilità

Piede cavo

I sintomi. In molti casi, il piede cavo pur essendo visibilmente presente non dà sintomi. Quando la sintomatologia è presente, consiste generalmente in: dolore alla caviglia e al piede, soprattutto sui lati e nella zona del metatarso.

Questa deformità presenta una classificazione eziologica, che la può ricondurre a 3 particolari cause:

• Piede cavo idiopatico-congenito.
• Piede cavo dovuto a cause neuromuscolari.
• Piede cavo dovuto a traumi o lesioni.