Genetica medica

Genetica

Esame di scienze biomediche II, infermieristica

Genetica molecolare: Struttura del DNA, duplicazione, trascrizione e traduzione, codice genetico, cloning e tecniche di genetica molecolare.

Principi di genetica generale e modalità di trasmissione ereditaria

Leggi di Mendel: Segregazione ed assortimento dei caratteri; analisi dell’albero genealogico; malattie dominanti e recessive autosomiche e legate a X.

Concetto di polimorfismo, analisi di linkage e mappe cromosomiche.

Alterazioni cromosomiche

Alterazioni distrofia miotonica di Steinert: Cromosomiche qualitative (delezioni, duplicazioni, inversioni e traslocazioni), conseguenze genetiche e somatiche. Alterazioni quantitative dei cromosomi (aneuploidie somatiche e germinali). Trisomie e monosomie (sindrome di Down, Turner e Klinefelter).

Malattie geniche e analisi di pedigree

• M. dominanti: Generalità (Neurofibromatosi I, Corea di Huntington, Acondroplasia).
• M. recessive: Generalità (Fibrosi cistica, Albinismo, Fenilchetonuria, Anemia falciforme, Malattia di Tay-Sachs).
• M. X linked: Generalità (Distrofia muscolare di Duchenne, Emofilia A, Ittiosi).

Interpretazione alberi genealogici

Malattie da genetiche a trasmissione non mendeliana: Mutazioni dinamiche e fenomeno della anticipazione: generalità (S. X-Fragile, Corea di Huntington).

Imprinting genomico: Generalità

Eredità mitocondriale: Generalità

Genetica generale

Esperimenti di Mendel – ereditarietà dei caratteri

Precursore della moderna genetica, Mendel ha adottato come organismo modello la pianta di pisello odoroso Pisum sativum e ha concentrato la sua attenzione su caratteri (fenotipi) alternativi e di immediata percezione. Mendel ha costruito per ciascun carattere delle linee pure, cioè piante che se incrociate tra loro producono solo piante con caratteristiche identiche a quelle dei genitori (piante gialla incrociate daranno solo prole gialla).

Mendel ha incrociato linee pure diverse (piante con semi gialli x piante con semi verdi) e ne ha esaminato la progenie (F₁), che era composta da piante tutte uguali con piselli gialli. Incrociando tra loro (autoincrocio) le piante della generazione F₁, ha ottenuto la generazione F₂, in cui ¾ delle piante aveva i semi gialli e ¼ semi verdi. A questo punto, attraverso l’autofecondazione delle piante della generazione F₂, Mendel ha ottenuto la generazione F₃. Le piante della generazione F₂ con piselli gialli si comportavano per 1/3 come la linea pura parentale gialla e per 2/3 come la F₁ (con un rapporto gialle verdi 3:1), mentre le piante con piselli verdi si comportavano tutte come la linea parentale verde.

Riassumendo:

• Rapporto fenotipico: ¾ piante con semi gialli - ¼ linee pure gialle; 2/4= ½ linee “ibride” gialle.
• ¼ piante con semi verdi - ¼ linee pure verdi.

Attraverso lo studio della F₃ Mendel dimostrò che il rapporto apparente di 3:1 osservato alla F₂ nascondeva in realtà un rapporto 1:2:1. Sulla base di queste osservazioni, Mendel trae una conclusione: Ogni individuo possiede due fattori, uno ereditato dal padre e uno dalla madre, che determinano ogni carattere. Questi fattori si separano (segregazione) alla formazione dei gameti (cellule che contengono uno solo di tali fattori).

Incrocio della generazione parentale

Il gamete maschile feconda il gamete femminile formando uno zigote con due determinanti per ciascun carattere.

Genotipo del maschio: “GG” Genotipo della femmina: “gg”

• Gameti prodotti: tutti di tipo “G”
• Gameti prodotti: tutti di tipo “g”

Zigote: Gg

Genotipo della progenie F₁

F₁ è formata dunque da piante ibride che esprimono il carattere dominante giallo. Naturalmente il discorso è lo stesso se, al contrario, si prende una pianta femmina GG e una pianta maschio gg. L’incrocio tra linee pure può essere schematizzato con il quadrato di Punnet:

• La pianta GG che funge da maschio produce cellule polliniche (gameti) tutte G e quindi contribuirà con alleli G;
• La pianta gg che funge da femmina produce cellule uovo (gameti) tutte g e quindi contribuirà con alleli g;
• Tutta la progenie F₁ sarà Gg eterozigote;
• Poiché G è dominante su g, tutta la progenie sarà formata da piante gialle (tutte piante ibride gialle).

Incrocio della progenie F₁

Genotipo del maschio F₁: Gg Genotipo della femmina F₁: Gg

Incrociando i due genotipi Gg x Gg si otterranno i genotipi della progenie F₂: GG, Gg, gG, gg

Questo significa che si otterrà un rapporto genotipico di 1:2:1 e un rapporto fenotipico 3:1, e quindi si ottengono un giallo puro (1 omozigote dominante), due gialli ibridi (2 eterozigoti) e un verde puro (1 omozigote recessivo).

Quindi:

• La pianta Gg che funge da maschio produce ½ di cellule polliniche (gameti) G e ½ g;
• La pianta Gg che funge da femmina produce ½ di cellule uovo (gameti) G e ½ g;
• La progenie F₂ sarà composta da ¼ di piante GG (omozigoti), ½ di piante Gg (eterozigoti) e ¼ di piante gg (omozigoti), quindi si avrà un rapporto GG : Gg : gg 1 : 2 : 1

Poiché G è dominante su g, 3/4 della progenie sarà formata da piante gialle e ¼ da piante verdi (con rapporto gialle : verdi 3 : 1). Inoltre, se auto-incrociate, le piante omozigoti si comporteranno come le linee parentali pure mentre quelle eterozigoti come quelle della progenie F₁.

Tabella riassuntiva

In conclusione, tutto ciò costituisce la I legge di Mendel, secondo cui due componenti di una coppia di geni (che oggi chiamiamo alleli) segregano uno dall’altro alla formazione dei gameti, cosicché metà dei gameti sarà portatore di un allele e l’altra metà sarà portatore dell’altro allele della coppia di geni.

Dominanza e recessività

Un carattere si dice dominante quando si manifesta nell’eterozigote e recessivo quando non si manifesta nell’eterozigote. Si noti che dominanza e recessività sono caratteristiche del carattere e non del gene, ma non sempre i caratteri presentano proprietà nette di dominanza/recessività e questo perché spesso può esserci un’allelia multipla, ovvero più alleli che concorrono a determinare il fenotipo (es. peso corporeo, altezza, ecc). Talvolta l’eterozigote presenta caratteristiche intermedie tra quelle dell’omozigote per un allele e quelle dell’omozigote per l’altro allele.

Dominanza e recessività non solo dipendono dal carattere, a nell’ambito di uno stesso carattere si possono avere alleli codominanti rispetto ad alcuni e dominanti rispetto ad altri (es. i gruppi sanguigni). Si prenda ad esempio il sistema di gruppo sanguigno AB0 nell’uomo: il gruppo sanguigno di ogni individuo è determinato dalla combinazione di due dei tre alleli presenti al locus AB0. I tre alleli sono I^A, I^B e i, per cui i rapporti di dominanza/recessività sono:

• I^A: è codominante rispetto a I^B e dominante su “i”;
• I^B: è codominante rispetto I^A e dominante su “i”;
• i: è recessivo rispetto a I^A e I^B.

Le combinazioni alleliche prese a due a due costituiranno i genotipi. Questi determineranno il gruppo sanguigno dell’individuo in funzione dei rapporti di dominanza/recessività.

Ereditarietà combinata di due caratteri

Si prendono in considerazione due caratteri, ad esempio colore e forma dei semi: gialli/verdi e lisci/rugosi.

Dal primo incrocio di due linee pure che rappresenteranno le linee parentali, si ottiene una generazione F₁ con uno solo dei due caratteri, e cioè:

• Linea pura con semi gialli e lisci x Linea pura con semi verdi e rugosi = SOLO PIANTE CON SEMI GIALLI E LISCI.

Dal secondo incrocio, e quindi un auto-incrocio delle piante F₁ con semi gialli e lisci, si otterrà una generazione F₂ composta da:

• 9/16 piante con semi gialli lisci;
• 3/16 piante con semi gialli rugosi;
• 3/16 piante con semi verdi lisci;
• 1/16 piante con semi verdi rugosi.

Tutti questi risultati sono spiegati dalla presenza, nelle cellule di questi organismi, di due coppie di alleli: una che determina il colore dei semi (G/g) e l’altra la forma (L=lisci/ l= rugosi).

Genotipo del maschio F₁: Gg Ll Genotipo della femmina F₁: Gg Ll

• Gameti prodotti = GL, Gl, gL, gl
• Gameti prodotti = GL, Gl, gL, gl

Incrocio: Genotipi della progenie F₂ GGLL, GGLl, GGll, GgLL, GgLl, Ggll, ggLL, ggLl, ggll

Se almeno un allele dominante G conferisce il fenotipo “semi di colore giallo” e almeno un allele dominante L conferisce il fenotipo “forma dei semi liscia”, allora il rapporto fenotipico è quindi 9 : 3 : 3 : 1

Tale rapporto è compatibile con l’ipotesi che alla segregazione ogni combinazione allelica abbia la stessa probabilità di formarsi. Ad esempio: un soggetto doppio eterozigote GgLl formerà ¼ di gameti GL, ¼ Gl, ¼ gL e ¼ gl, cioè tutti con la stessa probabilità.

Questa osservazione ha permesso a Mendel di formulare la II legge sull’ereditarietà, secondo cui durante la formazione dei gameti la segregazione della coppia di alleli di un gene è indipendente dalla segregazione degli alleli di un altro gene ed assortiscono in maniera casuale nei vari gameti (legge dell’assortimento indipendente).

Gli esperimenti di Morgan

La legge dell’assortimento indipendente di Mendel, però, è verificata soltanto ad una data condizione, e cioè che i due caratteri siano allocati sufficientemente distanti tra di loro tali da non essere tramandati in maniera concatenata. Mendel non aveva conoscenza riguardo, ad esempio, la meiosi e la struttura dei cromosomi, né tanto meno i processi secondo cui questi segregano durante la divisione. Tutte queste conoscenze si devono ad un altro grande ricercatore, Thomas Hunt Morgan, che vinse nel 1933 il Nobel per la medicina.

Nel 1910 Morgan iniziò a condurre i suoi esperimenti sul moscerino della frutta Drosophila Melanogaster, nei cui cromosomi riconobbe la localizzazione e l’ordinamento lineare dei geni dimostrando così la capacità di dar luogo alle mutazioni: egli gettò quindi le basi della teoria cromosomica. A Morgan si devono dunque diversi concetti, primo fra tutti il concetto del cromosoma come unità fondamentale della trasmissione del carattere, ma soprattutto la determinazione della localizzazione dei geni sui vari cromosomi. Morgan condusse poi una serie di esperimenti che dimostrarono l’esistenza di un’ereditarietà dei caratteri legata ai cromosomi sessuali.

Drosophila Melanogaster

La Drosophila Melanogaster (o moscerino della frutta) fu oggetto di studio e di esperimento delle teorie di Morgan. Questo è caratterizzato da:

• Occhi rossi;
• Corpo giallo marrone con anelli neri;
• I maschi sono più corti delle femmine ed hanno la parte terminale più scura.

Morgan scelse la Drosophila perché questa presenta dimensioni ridotte, è facilmente allevabile, è caratterizzata da un rapido susseguirsi di generazioni ed ha cromosomi grandi ed evidenti (visibili allo stereomicroscopio); inoltre, le femmine sono in grado di deporre fino a 600 uova, le quali si schiudono dopo 24 ore dalla deposizione, le larve crescono per 5 giorni, si incapsulano in una pupa e dopo 5 gg l’insetto è adulto.

Durante il suo esperimento, Morgan eseguì incroci fra due genotipi di Drosophila ovvero: B* b vg* vg x b b vg vg

Questi due genotipi differiscono per il colore del corpo e la forma delle ali:

• b* (colore corporeo grigio) è dominante su b (colore nero);
• vg* (ali lunghe) è dominante su vg (ali corte).

Morgan si aspettava di ottenere 4 fenotipi in un rapporto 1:1:1:1 (quindi ¼ corpo grigio e ali lunghe, ¼ corpo nero e ali corte, ¼ corpo grigio e ali corte e ¼ corpo nero e ali lunghe), ma ciò non accadde: questi alleli non seguono la legge dell’assortimento indipendente e Morgan ipotizzò che i due geni si trovassero sullo stesso cromosoma, quindi che fossero geni concatenati o associati. Per cui, secondo Morgan, i geni associati tendono ad essere ereditati insieme.

Con questa teoria, Morgan introduce il concetto del crossing-over, secondo cui i geni allocati sullo stesso cromosoma ma in loci differenti possono essere separati l’uno dall’altro. I crossing-over determinano quindi il fenomeno della ricombinazione genica, che avviene durante la profase I della meiosi.

La frequenza di ricombinazione

Su 2300 moscerini, 391 sono ricombinanti (quindi il 17%). I ricombinanti si manifestano quindi con frequenze predefinite, per questo si parla di frequenze di ricombinazione.

Le frequenze di ricombinazione saranno più elevate per i loci che si trovano a distanza maggiore sul cromosoma rispetto a quelli che sono localizzati più vicini fra loro e questo avviene perché, come già detto un evento di crossing-over si manifesta con maggiore probabilità tra geni che sono più distanti che tra geni vicini.

Analisi del cariotipo

Durante il ciclo cellulare i cromosomi replicano e si formano due cromatidi fratelli tenuti insieme dal centromero. I cromatidi sono a loro volta costituiti da un braccio corto (p) e un braccio lungo (q).

Il complesso DNA-proteine costituisce la cromatina.

• Eucromatina: porzione meno condensata che contiene il DNA codificante.
• Eterocromatina: più condensata, non contiene DNA codificante ma solo DNA non codificante.
• Telomeri: cappucci all’estremità dei cromosomi che comprendono ripetizioni multiple della sequenza TTAGGG. Giocano un ruolo fondamentale nel processo di accorciamento o meno della lunghezza cromosomica, determinando così il numero di possibili replicazioni per un dato cromosoma.
• Centromeri: regioni specializzate di DNA che forniscono il sito di ancoraggio del fuso mitotico. All’interno dei centromeri vi sono strutture specializzate che consentiranno ai filamenti peptidici legati alle varie proteine di creare dei punti di ancoraggio. Non si tratta di processi meccanici, ma sono altamente regolati una serie di interazioni e di fosforilazioni.

L’impacchettamento della struttura è fondamentale per la vita in quanto regge i limiti della sopravvivenza. La doppia elica infatti che ha un diametro di 2nm, e se fosse sciolta potrebbe addirittura coprire la distanza dalla luna. Questo spiega quanto sia importante che la struttura venga compattata, e ciò avviene grazie alle proteine istoniche che andranno a costituire il nucleosoma, che ha la sua conformazione tipica a collana di perle: questo tenderà a compattarsi ulteriormente per formare una fibra di 30nm che a sua volta si compatterà, attraverso le proteine scaffold che legano le varie fibre, fino a dare una cromatina sempre più complessa e il cromosoma finale, costituito dall’intersezione dei due cromatidi ognuno del diametro di 600nm.

La ISCN (International System Cytogenetics Nomenclature) è la nomenclatura utilizzata per lo studio dei cromosomi e delle cromosomopatie, cioè quelle patologie di alterazione di numero e morfologia del cromosoma. Lo studio e l’analisi di tutti i cromosomi metafasici di una cellula costituisce il cariotipo. Questo si esegue sull’immagine dei 46 cromosomi ottenuta mediante fotografia o immagine computerizzata: il cariotipo è quindi costituito da 22 coppie appaiate, nelle quali uno dei cromosomi è di origine paterna ed uno di origine materna. I cromosomi sono poi distinti a seconda della lunghezza (dal più lungo al più corto) ed in base alle caratteristiche morfologiche (visibili con la tecnica del “bandeggio”). I cromosomi del sesso (XX o XY) vengono evidenziati come coppia separata.

Cariotipo umano normale

• Gruppo A: da 1-3 metacentrici lunghi;
• Gruppo B: da 4-5 submetacentrici lunghi;
• Gruppo C: da 6-12 e X submetacentrici medi;
• Gruppo D: da 13-15 acrocentrici lunghi;
• Gruppo E: da 16-18 metacentrici o submetacentrici relativamente corti;
• Gruppo F: da 19-20 metacentrici corti;
• Gruppo G: da 21-22 e Y acrocentrici corti;

• Metacentrici, se il centromero è centrale (1, 2, 3, 16, 17, 18, 19);
• Submetacentrici, se il centromero non è centrale e non è vicino ad un’estremità (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 20, X, Y);
• Acrocentrici, se il centromero è vicino ad un’estremità (13, 14, 15, 21, 22).

Indicazioni all’esecuzione del cariotipo da cellule di sangue periferico

• Aborti ripetuti (due o più aborti spontanei);
• Sterilità/infertilità;
• Genitali ambigui;
• Oligo/azospemia, cioè assenza o riduzione del numero di spermatozoi o della loro motilità;
• Amenorrea primaria (cioè totale assenza della prima mestruazione), secondaria o menopausa precoce;
• Coppie con diagnosi prenatale di una qualche patologia;
• Coppie candidate ad una fecondazione assistita;
• Riarrangiamento cromosomico e/o varianti cromosomiche;
• Aborto o nato morto con quadro dismorfico/malformativo;
• Ipostaturalità;
• Sospetto clinico di sindrome da instabilità cromosomica;
• Sospetto clinico di sindrome genomica da microdelezione/microduplicazione;
• Anamnesi familiare positiva per la presenza di riarrangiamento cromosomico;
• Patologia x-linked recessiva presente in una femmina;
• Quadro clinico riconducibile ad una sindrome cromosomica nota (per la conferma);
• Ritardo mentale o storia familiare di ritardo mentale;
• Anomalie congenite.