Genetica

Genetica

ABC della genetica: geni, cromosomi e malattie

I caratteri ereditari sono veicolati dal DNA, ovvero ciò che rappresenta la base della genetica, la molecola fondamentale per il passaggio di tali caratteri. È contenuto nei cromosomi, nel nucleo delle cellule e nei mitocondri, i quali possiedono un DNA dalle caratteristiche diverse rispetto a quello nucleare. Ogni cellula somatica, in totale 46 negli uomini, contiene 2 metri di DNA: ciò è possibile grazie al suo “impacchettamento”, meglio detto condensazione. Vi sono 3,2 miliardi di basi e circa 40mila geni.

Il DNA è formato da nucleotidi, che sono 4 e complementari tra di loro (adenina-timina, citosina-guanina) e una base azotata. Esso porta l’informazione genetica ed è soggetto a duplicazione, permettendo il passaggio dell’informazione dalla cellula madre alle cellule figlie, le quali possiedono lo stesso corredo cromosomico della madre, in quanto tutte le cellule somatiche si dividono per mitosi.

L’informazione genetica viene trasferita da una molecola di DNA a una di RNA (trascrizione). Ciò che importa l’informazione è l’RNA messaggero (mRNA). Poi l’mRNA lascia il nucleo per raggiungere il citoplasma, nel quale avviene la sintesi proteica. Le proteine sono enzimi che servono per le reazioni necessarie alla nostra sopravvivenza. La loro sintesi avviene nei ribosomi attraverso un processo detto traduzione.

Il gene è una sequenza di DNA, struttura formata da regioni che codificano le proteine, gli esoni, e da segmenti che non sono tradotti, gli introni, anch’essi tuttavia importanti poiché una loro mutazione può provocare la nascita di alcune malattie. I geni hanno grandezze diverse e codificano per una specifica proteina (es. emoglobina formata da 4 proteine: -globine e -globine).

Le mutazioni

Le mutazioni sono modificazioni della sequenza del DNA. Esse possono essere frequenti o rare e sono queste ultime che provocano le malattie. Vi sono diversi tipi di mutazioni, tra cui vi sono quelle puntiformi, e alcune di esse sono:

• Missenso: sostituzione di una coppia di basi, ovvero quando un nucleotide viene sostituito da un altro e viene dunque codificata una proteina diversa in quanto una coppia di basi mutata;
• Inserzione: aggiunta di un nucleotide, la sequenza cambia e la proteina potrebbe non essere codificata;
• Delezione: eliminazione di un nucleotide, la sequenza cambia e la proteina potrebbe non essere codificata.

Gli effetti delle mutazioni sono variabili e dipendono dalla natura del prodotto genico modificato. Le mutazioni comuni, presenti in più di una persona su 100 nella popolazione, sono dette polimorfismi. La differenza all’esposizione di una malattia non dipende dalla sua virulenza, bensì dalla nostra risposta immunitaria.

I cromosomi

I cromosomi sono strutture filamentose in cui si organizza la cromatina e che veicolano il DNA. Essi sono 46, distribuiti in 23 coppie omologhe, che formano il corredo normale o diploide (2n). 22 di queste coppie cromosomiche formano i cromosomi non sessuali, mentre l’ultima coppia rappresenta i cromosomi sessuali (XX nelle donne, XY negli uomini).

I cromosomi sono ereditati in parti uguali dai genitori, mediante i gameti, e perciò i cromosomi omologhi di ogni coppia sono trasmessi, rispettivamente, dalla madre e dal padre. Le cellule germinali sono ovocita e spermatozoo, mentre la nostra prima cellula germinale è lo zigote.

La mitosi è la divisione delle cellule somatiche che dà luogo a cellule figlie dal corredo cromosomico uguale a quello della cellula madre. La meiosi, invece, è la divisione cellulare tipica della gametogenesi in cui i cromosomi omologhi si appaiano tra loro per dare origine a cellule con corredo aploide (n). Ne esistono due: nelle donne vi è l’ovogenesi, negli uomini vi è la spermatogenesi. Negli uomini dà luogo a 4 spermatozoi aploidi, nelle donne viene dato luogo a un unico gamete (cellula uovo) anch’esso aploide. La fusione dei gameti aploidi al concepimento, nello zigote, ristabilisce il numero diploide, che è presente nelle cellule somatiche.

Nel corredo diploide i geni, che sono allineati sui cromosomi in specifici siti o loci, sono presenti in duplice copia, uno di origine materna e uno di origine paterna. Si definiscono alleli i geni che occupano lo stesso locus in una coppia di cromosomi omologhi. Una persona è omozigote quando gli alleli sono uguali, eterozigote quando sono differenti.

I caratteri mendeliani

Gregor Mendel viene considerato il padre della genetica. Egli fu il primo a individuare i cosiddetti caratteri mendeliani, ovvero quelli che in ognuno di noi determinano il fenotipo. I caratteri semplici sono trasmessi dai geni, che si comportano come unità segreganti (I legge di Mendel o legge della segregazione). Gli alleli si separano durante la formazione dei gameti (meiosi) e si distribuiscono in maniera indipendente nelle cellule figlie (II legge di Mendel o legge dell’assortimento indipendente).

I caratteri si suddividono in dominanti e recessivi: è dominante il carattere che si manifesta sia nell’omozigote che nell’eterozigote e per convenzione viene indicato con una lettera maiuscola (es. AA, Aa); è recessivo (wild type) il carattere che si manifesta solo in caso di omozigosi e viene indicato da una lettera minuscola (es. aa). Il cromosoma X contiene alcune centinaia di geni. I maschi hanno un solo cromosoma X e perciò esprimono le mutazioni recessive presenti sul cromosoma: maschi emizigoti. Una donna è omozigote se gli alleli sull’X sono identici. In questo caso il carattere si esprime se gli alleli sono diversi.

Nelle cellule somatiche delle donne, uno dei due cromosomi X viene inattivato attraverso un processo detto lyonizzazione e il processo è casuale e precoce (entro 16 giorni dal concepimento viene scelto dalle varie cellule quale X deve essere trascritta e quale deve essere inattivata). In conseguenza di questo fenomeno, l’attività dei prodotti dei geni che mappano sull’X è uguale nei maschi e nelle femmine: le donne posseggono perciò due popolazioni cellulari funzionalmente diverse ed è per questo che le cellule femminili vengono dette a mosaico. Si tratta ovviamente di un mosaicismo funzionale, ma anch’esso potrebbe incorrere in un errore in quanto è regolato da proteine (es. in qualche cellula dell’organismo viene inattivato in maniera preferenziale un gene X e ciò può portare alla nascita di malattie, in particolare di tipo recessivo).

In genetica medica è importante saper costruire un albero genealogico, ovvero la storia genomica di una famiglia. Si tratta di un messaggio universale. L’analisi dell’albero genealogico permette in molti casi di stabilire il modello di trasmissione di una malattia mendeliana e di differenziare le forme autosomiche dominanti, autosomiche recessive, recessive legate all’X e dominanti legate all’X. Le malattie X-linked sono quasi esclusivamente presenti nei maschi.

Le malattie genetiche

Le malattie genetiche si possono quindi suddividere in vari gruppi. Le malattie monogeniche o mendeliane sono quelle legate alla mutazione di un solo gene (autosomiche dominanti e recessive, legate all’X o all’Y). Vi sono poi le malattie cromosomiche, quelle mitocondriali, trasmesse solo in linea materna (solo le madri trasmettono la malattia) e quelle multifattoriali, queste ultime molto spesso riscontrate come polimorfismi. Non vi è un rapporto diretto tra fenotipo e genotipo, poiché tra i due influisce l’ambiente e, dunque, il nostro stile di vita. Il fattore ambientale più importante è il fumo di sigaretta (es. tumore al polmone o tumore alla mammella).

Le malattie autosomiche dominanti

Nelle malattie autosomiche dominanti il genitore affetto di solito è eterozigote. In omozigosi sono la principale causa di aborto spontaneo. In generale, esse sono dovute a una mutazione che avviene sugli autosomi e si trasmettono in media al 50% dei figli indipendentemente dal sesso e dal numero di gravidanze. Per determinare il genotipo della prole si utilizza il quadrato di Punnet. La malattia può essere congenita (presente sin dalla nascita) o il suo esordio può avvenire nel corso della vita (es. corea di Huntington).

Un esempio di malattia autosomica dominante è la sindrome di Ambras o ipertricosi universale congenita, per la quale il soggetto affetto è tutto ricoperto da peli. Una malattia autosomica dominante, però, può anche originare in seguito a una mutazione, dunque i genitori del figlio affetto sono sani: questa è la regola delle patologie che riducono l’idoneità biologica o fitness, ovvero la capacità di contribuire con i propri gameti alle generazioni future. La fitness può essere ridotta rispetto al normale o addirittura essere pari a 0 a causa della sua gravità e, in quest’ultimo caso, il soggetto affetto muore durante l’infanzia (malattie molto rare). Se la fitness è ridotta, ma diversa da 0, una percentuale dei pazienti nasce da un genitore ammalato, ma la maggior parte origina a causa di una nuova mutazione; un esempio è l’acondroplasia o meglio conosciuta come “nanismo”, in cui circa il 10% dei casi viene trasmesso dal genitore affetto. Ciò dipende dall’effetto dell’età paterna, in quanto la frequenza delle nuove mutazioni aumenta proporzionalmente con l’aumentare dell’età paterna. Una caratteristica delle malattie autosomiche dominanti è quello di presentare una espressività variabile tra le persone affette anche nella stessa famiglia, ovvero possono avere quadri clinici diversi, con una gravità maggiore o minore a seconda dei casi, a volte addirittura imprevedibile.

Malattie mendeliane e cromosomiche

Le malattie autosomiche dominanti

L’età d’esordio della malattia può essere variabile. Alcune malattie autosomiche dominanti presentano il fenomeno dell’anticipazione che consiste in un esordio più precoce ed un aggravamento dei sintomi con il passare delle generazioni, diventando addirittura delle malattie congenite.

La penetranza è la percentuale delle persone che esprimono il fenotipo di solito associato a una mutazione, sul numero complessivo delle persone che portano la mutazione. Se tutti i soggetti con una mutazione presentano la malattia, allora la penetranza sarà del 100%. Esiste però anche il difetto di penetranza, ovvero un difetto di espressione del fenotipo. Secondo degli studi, ciò potrebbe dipendere da altri geni o da alcuni fattori ambientali che modulano, fino a impedire l’espressione di un gene mutato. Si manifesta nell’albero genealogico con un “salto di generazione”.

Le malattie autosomiche recessive

Le malattie autosomiche recessive si manifestano solo in omozigosi. Da genitori non affetti eterozigoti, il carattere si trasmette in duplice dose (omozigosi) in media al 25% dei figli indipendentemente dal loro sesso. La trasmissione, visibile nell’albero genealogico, è orizzontale nella famiglia.

Il rischio della nascita di un figlio con malattie genetiche è di 3/100. Se si è consanguinei, aumenta il rischio di presenza di malattie autosomiche recessive nelle generazioni future. In questo caso, si ha un rischio riproduttivo doppio, ovvero del 6%. La consanguineità più comune nelle coppie è quella tra cugini di primo grado. I cugini di secondo grado, invece, hanno un rischio aggiuntivo dell’1% rispetto al 3% iniziale. Al di là della cuginanza di secondo grado, non viene più considerata la consanguineità. Le consanguineità sono di 4 tipi:

Nelle popolazioni ad elevato grado di inincrocio, nelle quali è elevata la percentuale di matrimoni tra consanguinei, il matrimonio tra eterozigoti è comune. In questo caso, le malattie autosomiche recessive possono dimostrare nell’albero genealogico una trasmissione apparentemente “verticale” anziché orizzontale, divenendo così un’eredità quasi-dominante.

Un esempio di malattia autosomica recessiva è la -talassemia, molto comune a causa della selezione naturale nei confronti della malaria. Un altro esempio ancora è l’albinismo, in cui manca il pigmento cutaneo e degli annessi.

Le malattie legate all’X (X-linked)

Esse si manifestano essenzialmente nei maschi emizigoti. Solitamente gli uomini presentano malattie X-linked recessive, in quanto, in caso di malattie X-linked dominanti, il quadro clinico si può presentare in maniera molto grave, a volte non permettendo neppure la nascita dell’affetto. Le femmine eterozigoti manifestano solo eccezionalmente la mutazione. Affinché la donna sia affetta da una malattia X-linked recessiva, deve essere omozigote. Il meccanismo più comune è la non casualità dell’inattivazione dell’X (preferenziale inattivazione dell’X mutato). Viene allora inattivato l’allele dominante sull’X (X-ist) e la donna manifesterà una malattia X-linked recessiva. In questi casi il fenotipo tende a manifestarsi in forma attenuata.

Un esempio di malattia X-linked recessiva è la distrofia muscolare di Duchenne, a causa della quale le donne affette raramente presentano un quadro clinico grave quanto quello degli uomini. Altri esempi di malattie X-linked sono l’emofilia e il favismo. Una malattia X-linked, nell’albero genealogico, presenta un andamento a “zig-zag”. Non esiste la trasmissione maschio-maschio.

Tra una madre eterozigote Aa e un padre non affetto AY (X-linked recessiva), tutte le figlie sono non affette e la metà sono eterozigoti come la madre, mentre il 50% dei figli maschi non è affetto e l’altro 50% è emizigote affetto. I casi sporadici, cioè isolati, possono originare da nuova mutazione nell’oogenesi. È importante in queste famiglie definire il genotipo delle femmine. Le eterozigoti obbligate, ovvero le donne portatrici sane, sono le figlie di un padre ammalato, le madri con due figli ammalati e le donne con un figlio e un fratello ammalati. Il genotipo delle femmine può essere studiato tramite analisi biochimiche, molecolari e citogeniche, ma si può anche solo ricorrere a un semplice test genetico.

Se il carattere legato all’X è dominante, un genitore eterozigote lo trasmette in media al 50% dei figli, indipendentemente dal loro sesso. Il padre eterozigote trasmette il carattere a tutte le figlie e a nessun figlio. Il rapporto femmine affette/maschi è del tipo 2:1. Un esempio è la sindrome di Rett, una forma di epilessia che si riscontra esclusivamente nelle bambine.

Le malattie legate all’Y (Y-linked)

Il cromosoma Y contiene relativamente pochi geni, importanti nella determinazione del sesso (p) e nella fertilità maschile (q). Il cromosoma Y è poco rilevante per quanto attiene l’eredità delle malattie complessivamente considerate. Nel braccio lungo (q) avviene la spermatogenesi.

Le malattie cromosomiche

L’eredità cromosomica dipende dal numero dei cromosomi. L’analisi cromosomica del cariotipo viene di solito eseguita su colture di linfociti prelevati dal sangue periferico, ovvero cellule nucleate e anche le più grandi tra i leucociti. Ogni popolazione cellulare che si divide può essere utilizzata per indagini particolari: i linfociti e i fibroblasti per la definizione del cariotipo costituzionale; gli amniotici e il trofoblasto (villi coriali) per la diagnosi prenatale; le cellule del midollo osseo per caratterizzare il corredo cromosomico nelle leucemie; le cellule tumorali, per caratterizzare le neoplasie. Il cromosoma Philadelphia viene considerato il primo cromosoma tumorale e si tratta di un cromosoma traslocato che dà origine a leucemia.

Per studiare il cariotipo, i cromosomi vengono analizzati nella fase di divisione mitotica definita metafase. I cromosomi vengono allora ordinati nel cariotipo, dal più grande al più piccolo e poi si vanno ad appaiare (quello materno con quello paterno). Alla fine vi sono i cromosomi sessuali. In seguito si passa al bandeggio, un meccanismo di colorazione dei cromosomi. Le tecniche di bandeggio visualizzano lungo le braccia cromosomiche regioni a diversa intensità di colorazione. Il braccio corto del cromosoma viene definito con la lettera p e il braccio lungo con la lettera q. Le principali tecniche di colorazione dei cromosomi comprendono:

• Bande Q;
• Bande G;
• Bande R, bandeggiamento complementare (Reverse) a quello Q/G;
• Bande C, colorano eterocromatina costitutiva, cioè le regioni individualmente variabili e sono regioni eterotrofe attorno ai centromeri e sulla parte distale del braccio lungo del cromosoma Y.

I cromosomi bandeggiati sono classificati secondo una nomenclatura standardizzata, in base alla quale ogni elemento identificato con le tecniche di bandeggiamento è definito con il numero del cromosoma, il simbolo del braccio, la regione cromosomica coinvolta in un’irradiazione, la banda e la sottobanda interessata. I cromosomi sono classificati in base alla posizione delle costrizioni primarie o centromeri. Si definiscono metacentrici i cromosomi con centromero mediano e braccia simmetriche; si definiscono submetacentrici quelli con centromero dislocato in una posizione intermedia tra la metà e un’estremità del cromosoma; si definiscono acrocentrici quelli con centromero in prossimità di una delle due estremità del cromosoma.