Genetica medica

Genetica Medica

Prof.ssa Bruno Lucia Pia 0

INTRODUZIONE

La parola genetica (deriva dal greco ghénesis che significa genesi, origine) è quella branca della biologia che

permette di studiare l’ereditarietà, ossia la variabilità che esiste tra i vari individui e che si basa sui geni. La

genetica è formata da diverse branche:

• Genetica medica = parte della genetica che permette di esaminare le alterazioni a livello genico e come

queste determinano le patologie geneticamente determinate

• Genetica forense = permette di effettuare i processi di identificazione personale che sono utili a vari

scopi (Es. L’identificazione di un colpevole sulla scena del crimine)

• L’ingegneria genetica = permette di studiare come eventualmente andare a correggere un difetto

genetico (per esempio con la terapia genica piuttosto che con altre tecnologie ad oggi in corso di sviluppo)

• Farmacogenetica = permette di capire quali sono le risposte geneticamente determinate all’assunzione

di farmaci

• L’epigenetica = permette di capire in che modo l’ambiente influisce sull’espressione dei geni. Quindi

l’ambiente viene inteso non soltanto come interazione col mondo esterno, ma anche l’effetto, per

esempio, dei nutrienti piuttosto che di un agente inquinante o cancerogeno.

GENE

La definizione di gene in genetica è di unità funzionale del genoma. Ogni gene si trova localizzato in una zona

determinata di un cromosoma (prende il nome di locus) ed è costituito da una sequenza di DNA che a sua

volta codifica per una proteina corrispondente. A livello di ogni gene esistono due forme alternative chiamate

alleli che sono responsabili della manifestazione dei caratteri.

• Si parla di gene dominante qualora il carattere sia associato alla presenza di uno soltanto degli alleli o

di entrambi, quindi l’eterozigosi per l’allele responsabile dell’espressione del carattere sarà sufficiente

affinché esso si manifesti.

• Nel caso di geni recessivi, affinché il carattere possa manifestarsi, sono necessari entrambi gli alleli

che codificano per quel carattere.

STRUTTURA DEL GENOMA EUCARIOTICO

Per capire come avviene l’ereditarietà dei geni, delle patologie, dei

caratteri, bisogna riepilogare la struttura del genoma eucariotico.

Il genoma è organizzato in strutture ad ordine via via superiore. È

necessaria questa organizzazione poiché il primo livello di base è quello

della molecola di Double Stranded DNA (doppia elica del DNA) = una

molecola che ha una lunghezza di 2 m ma che non potrebbe essere mai

contenuta all’interno dei nuclei cellulari.

Quindi il genoma non è una struttura statica, al contrario è una

struttura dinamica in cui possiamo individuare due conformazioni:

• una che osserviamo nel corso della maggior parte del ciclo cellulare, a

livello dell’interfase, quindi una configurazione dispersa interfasica,

• mentre una configurazione molto più compattata è quella che si

osserva nel corso della mitosi dove avviene la formazione dei cromosomi, che sono anche le strutture da

un punto di vista genomico più compattate in assoluto e che si possono visualizzare esclusivamente nel

corso della divisione cellulare.

I cromosomi hanno livelli di condensazione che sono diversi e che di solito sono i più condensati. Per esempio

a livello della pro metafase sono piu condensati, mentre a livello della metafase la loro condensazione

diminuisce leggermente. Questo sarà importante per capire in che modo si individuano poi a livello del

cariotipo alcune differenze riguardanti la condensazione dei cromosomi e su qual è il momento migliore per

effettuare il cariotipo più ad alta risoluzione. 1

La struttura di Double Stranded è solo il primo livello gerarchico,

dopo di questo viene è la struttura del filo di perle, chiamata

anche fibra 11 nanometri, seguita dalla struttura della fibra 30

nanometri. Quindi le strutture a loop si possono condensare

ulteriormente a formare poi i cromosomi.

Come è possibile realizzare queste diverse modalità di

condensazione?

Innanzitutto è possibile a partire dalla molecola di Double

Stranded che contiene tutta l’informazione contenuta nei nostri

genomi, che di per sé sono diploidi in ogni cellula ad eccezione

delle germinali.

Questo primo DNA si può organizzare nella struttura a filo di perle

tramite la realizzazione dei nucleosomi, quindi di un ottamero

istonico formato da quattro proteine istoniche complessate tra di

loro H2A, H2B, H3, H4 che nel loro insieme formano il cuore

istonico attorno al quale la molecola di DNA può avvolgersi due

volte. Questi nucleosomi tra di loro sono collegati da un’altra

proteina che è l’istone H1, detto anche istone linker.

La fibra a 30 nanometri si può realizzare grazie all’organizzazione

nella struttura solenoide di 6 nucleosomi alla volta (quindi questa

struttura può essere a sua volta mantenuta grazie all’interazione

tra i vari nucleosomi e a loro volta questi si possono organizzare a

formare dei loop, che possono essere mantenuti grazie alla

presenza di proteine della matrice non istonica) e Il DNA si può poi

super avvolgere a formare i cromosomi visibili nel corso della

metafase.

CROMATINA

La cromatina si può dividere dal punto di vista morfologico in due grandi porzioni:

• Eucromatina = appare come una struttura meno elettrondensa rispetto all’eterocromatina. È quella

porzione che è attiva da un punto di vista trascrizionale, ossia permette l’espressione genica dei geni in essa

contenuti, ed è la zona che appare chiara al Bandeggio GTG, detto anche bandeggio Giemsa.

• Eterocromatina = può essere distinta in due parti:

- Eterocromatina facoltativa = si può riscontrare a livello interfasico, a livello del cromosoma X sessuale

che viene inattivato, sotto forma di un corpuscolo, anche chiamato corpo di bar.

- Eterocromatina costitutiva = si ritrova in corrispondenza di regioni cromosomiche che vengono

solitamente lasciate inattive, quindi per esempio i centromeri o i telomeri. Quindi si tratta di regioni silenziate

dal punto di vista trascrizionale che replicano tardivamente nel corso della fase S di sintesi del DNA nella

mitosi.

L’Eterocromatina costitutiva a sua volta presenta 2 porzioni: una che riguarda quella che più comunemente si

ritrova a livello dei centromeri, ossia delle porzioni di stallo del cromosoma y che contiene le regioni che non

vengono trascritte, quindi regioni che anche se contengono all’interno delle mutazioni non concorrono al

manifestarsi di fenotipi patologici (Per esempio anomalie cromosomiche non saranno a loro volta associate

allo sviluppo delle malattie che potrebbero dipendere da anomalie cromosomiche).

Inoltre essa è rappresentata anche da zone che sono differenzialmente presenti a livello di taluni cromosomi,

come nel caso del cromosoma 1, 9, 16, e Y ci sono delle regioni variamente distribuite di eterocromatina

2

costitutiva, ma non solo. Infatti In corrispondenza di questi cromosomi è anche possibile osservare una

diversa distribuzione delle regioni eucromatiche.

PARADOSSO DEL VALORE C

La dimensione del genoma negli organismi viventi non è correlata con la loro complessità morfologica né

funzionale. Questo è ben evidente andando a osservare la dimensione del genoma di eucarioti e procarioti.

Quello che invece è noto in biologia come il Paradosso del valore C.

Quello che invece si può osservare negli organismi con una complessità maggiore, in particolare negli

eucarioti, per esempio i mammiferi, è una minore densità genica, perciò aumenta la percentuale di DNA non

codificante, quindi la percentuale di DNA codificante sarà inferiore, attorno al 2/4% negli eucarioti, mentre

questa quantità è attorno all’1% nell’uomo.

Anche il numero di cromosomi non correla con le proteine corrispondenti che vengono codificate, infatti

l’uomo ha 46 cromosomi che corrispondono all’incirca a 21.000 geni codificanti proteine (anche se questo

numero attualmente è più attorno al 25.000). Invece il cane presenta un numero maggiore di cromosomi ma la

porzione codificante per proteine è rappresentata da un numero di geni inferiori.

TIPI di ERIDITARIETÀ

Ereditarietà mendeliana o classica

Definizione: È il modello di trasmissione dei caratteri genetici basato sulle leggi scoperte da Gregor Mendel,

che descrive geni localizzati sui cromosomi nucleari autosomici o sui cromosomi sessuali che seguono

rapporti di segregazione netti (come dominante, recessivo, o codominante).

Spiegazione: I caratteri sono determinati da un singolo gene (monogenici) e il fenotipo dipende dagli alleli

ereditati da entrambi i genitori. Esempi classici includono malattie come la fibrosi cistica o l'anemia

falciforme.

Ereditarietà con effetto parentale

Definizione: Fenomeno in cui il fenotipo della prole non è determinato dal proprio genotipo, bensì dal

genotipo (o dal fenotipo) della madre, dovuto a sostanze accumulate nel citoplasma dell'ovocita durante

l'oogenesi.

Spiegazione: I prodotti genici (proteine o mRNA) depositati dalla madre nella cellula uovo influenzano lo

sviluppo embrionale iniziale, indipendentemente dal fatto che il figlio abbia ereditato o meno quell'allele

specifico. Un esempio noto riguarda la direzione dell'avvolgimento della conchiglia in alcune lumache

Ereditarietà multifattoriale

Definizione: Tipo di ereditarietà in cui un carattere fenotipico o una patologia sono determinati

dall'interazione combinata di più geni (poligenica) e di fattori ambientali.

Spiegazione: A differenza dell'eredità mendeliana, i caratteri multifattoriali (come l'altezza, il peso, o

predisposizioni a malattie come il diabete e le cardiopatie) non seguono semplici rapporti di dominanza, ma

mostrano spesso una distribuzione continua nella popolazione.

Ereditarietà con effetto imprinting (Genomic Imprinting)

Definizione: Un processo epigenetico in cui l'espressione di un gene dipende dal genitore di provenienza; in

pratica, un allele viene silenziato chimicamente (tramite metilazione del DNA) a seconda che provenga dal

padre o dalla madre.

Spiegazione: Sebbene l'individuo erediti entrambe le copie di un gene (una materna e una paterna), solo una

delle due viene espressa funzionalmente. Se la copia attiva subisce una mutazione o viene persa, si sviluppa

una patologia (come la Sindrome di Prader-Willi o la Sindrome di Angelman) 3

Ereditarietà mitocondriale

Definizione: La trasmissione di caratteri genetici legati al DNA presente all'interno dei mitocondri, i corpuscoli

cellulari deputati alla produzione di energia.

Spiegazione: Poiché lo zigo riceve i mitocondri quasi esclusivamente dal citoplasma della cellula uovo

(materna), l'eredità mitocondriale segue una linea matrilineare: una madre affetta trasmetterà il carattere a

tutti i suoi figli (maschi e femmine), mentre i figli maschi non potranno trasmetterlo alla loro prole.

LEGGI DI MENDEL

l'ereditarietà monogenica è quel tipo di trasmissione genetica in cui un determinato carattere è controllato da

un singolo gene. Per capire come funziona, Mendel ha studiato i meccanismi dell'ereditarietà attraverso i suoi

famosi esperimenti sulle piante di pisello, arrivando a formulare le tre leggi di Mendel.

Definizioni:

Carattere: In genetica, qualsiasi caratteristica biologica di un organismo vivente determinata

dall'informazione genetica in quanto contenuta in uno o più geni dello stesso organismo e che può quindi

essere ereditata dalla sua progenie in modo prevedibile.

Fenotipo: In biologia, l'insieme delle caratteristiche morfologiche e funzionali di un organismo, quali risultano

dall'espressione del suo genotipo e dalle influenze ambientali.

La prima legge di Mendel, o legge della dominanza

venne formulata incrociando due piante appartenenti a due linee pure

diverse, una di piante di semi lisci e verdi e l’altra di piante di semi verdi e

rugosi. In questa prima generazione, Mendel osservò soltanto la

manifestazione di uno solo dei due caratteri corrispondenti al fenotipo di

una soltanto delle due linee pure, quindi chiamò quel carattere, dominante.

La seconda legge, o legge della segregazione

venne invece formulata andando incrociare la progenie ottenuta nella

prima generazione. Quello che venne ottenuto fu la ricomparsa nel

25% della progenie del fenotipo corrispondente all’altro carattere/

linea pura che sembrava scomparsa nella prima generazione,

permettendo di ipotizzare che gli alleli corrispondenti ai diversi

caratteri dovevano essersi separati. Quindi ogni gamete riceve al

momento della sua formazione soltanto una copia allelica

permettendo di capire come si possa avere la spartizione delle forme

alleliche studiate attraverso il quadrato di pannet. 4

Nella terza legge, o legge dell’assortimento indipendente

Mendel andò a incrociare due piante che differivano tra di loro per

due caratteri geneticamente determinati da due diverse forme

alleliche. Osservò che tutti i caratteri venivano ereditati in modo del

tutto indipendente a testimonianza del fatto che ci dovesse essere

un rimescolamento di queste forme alleliche che non dipendeva

dalla presenza dell’altro carattere.

ECCEZIONI ALLE LEGGI DI MENDEL

Esistono però in biologia tantissimi fenomeni biologici che costituiscono

un’eccezione alle leggi di Mendel.

Un esempio è la dominanza incompleta che si può osservare nell’incrocio tra

fiori di bella di notte rossi e bianchi. Quello che si osserva sono dei fiori in cui

non si vede il predominare di nessuno dei due fenotipi l’uno sull’altro, quindi

non esiste un gene dominante o un gene recessivo. Al contrario si osserva un

fenotipo a metà strada, un’espressione “incompleta” di ciascuna delle due

forme alleliche e pertanto il fenotipo risultante sarà intermedio tra quello dei

genitori. Infatti tra rosso e bianco si avrà un rosa.

GENETICA DEI GRUPPI SANGUIGNI

La genetica dei gruppi sanguigni, in particolare del sistema B

con 0, permette di introdurre due nuovi fenomeni che

costituiscono delle eccezioni alle leggi di Mendel, che sono il

fenomeno della codominanza e il fenomeno dell’allelia

multipla.

• In genetica, la presenza della codominanza permette di spiegare perché in corrispondenza di due

diverse forme alleliche (o in questo caso di tre diverse forme alleliche), alcune di esse non predominano non

solo l’una sull’altra, ma compaiono allo stesso tempo. Questo è il fenomeno per cui, dati due diversi antigeni

di superficie che permettono di determinare l’appartenenza al gruppo sanguigno di tipo A, e di tipo B, se

entrambi sono presenti da un punto di vista genotipico permettendo la loro espressione fenotipica, significa

che si ha la forma allelica per il gruppo A e al contempo una per il gruppo B, quindi avrò un gruppo sanguigno

di tipo AB.

• Si parla di allelia multipla perché abbiamo antigeni di superficie codificanti per A, per B e per 0.

• L’appartenenza al gruppo sanguigno di tipo 0 si basa sulla presenza dal livello genotipico di entrambe

le forme recessive per il gruppo sanguigno 0, con genotipo ii, quindi esso è di suo recessivo rispetto alla

presenza delle forme alleliche che codificano per tutti gli altri antigeni. Infatti se a livello genotipico io ho una

forma allelica che codifica per l’antigene di superficie A e un’altra forma allelica che corrisponde al gruppo 0

io avrò un gruppo sanguigno di gruppo A perché l’antigene di superficie A predomina sullo 0.

• Mentre se a livello genotipico, ho sia l’antigene di superficie I per il gruppo A che per il gruppo B avrò

l’appartenenza al gruppo AB.

• L’appartenenza invece al fenotipo B può essere caratterizzata dalla presenza di entrambi gli antigeni di

superficie B a livello genotipico oppure di una forma corrispondente al gruppo B, e l’altra invece per il gruppo

0. • Stessa cosa per il gruppo A, quindi per l’antigene di superficie di tipo A si avrà genotipo AA dominante

oppure Ai, che comunque è sempre del gruppo A. 5

Da un punto di vista allelico, le diverse forme

alleliche codificanti per gli antigeni di superficie

vengono determinati a livello del cromosoma 9,

quindi si tratta di un fenomeno di regole che devono

essere ben osservate nel caso di trasfusioni di

sangue per evitare delle reazioni avverse, come

reazioni antigene - anticorpo perché l’appartenenza

a un gruppo sanguigno permetterà di determinare

contro quale gruppo verranno prodotti gli anticorpi.

Un individuo appartenente al gruppo sanguigno di tipo A avrà anticorpi che verranno prodotti contro l’altro

gruppo perché non ha l’antigene di superficie B, quindi gli anticorpi saranno anti-B.

• Un individuo di gruppo sanguigno B avrà gli anticorpi anti-A.

• Nel caso di appartenenza a un gruppo di tipo AB invece, io potrò riceverle da tutti.

• Nel caso di appartenenza a un gruppo 0 si avrà anticorpi sia contro A che contro B, e quindi si potrà

donare a tutti, ma non ricevere da nessuno.

Trasmissione ereditaria del gruppo sanguigno

La genetica dei gruppi sanguigni si basa su regole che sono riconducibili al quadrato di pannet mendeliano;

quindi, è possibile stimare la possibilità di ereditare i vari allievi applicando queste leggi. In ogni genoma ci

sono due forme alleliche di ogni individuo che vengono trasmesse attraverso i gameti e quindi ogni incrocio ha

un quarto di possibilità di avvenire. Se prendiamo in considerazione ogni quadrato di punnet.

00 sarà il genotipo del padre, mentre AB in questo caso il genotipo della madre, quindi poiché un individuo nel

produrre i gameti andrà a div