Genetica medica e biologia applicata - Appunti

Genetica medica e biologia applicata

Ereditarietà mendeliana

Le leggi dell’ereditarietà si possono applicare ad alcune patologie genetiche nell’uomo.

Se facciamo l’anamnesi del paziente e chiediamo malattie dei parenti, costruendo albero genealogico capiamo che la malattia che non riusciamo a inquadrare può essere dominante, recessiva, legata all’X, etc.

Le malattie più comuni nell’uomo, cancro, obesità, ipercolesterolemia familiare, tratti come l’intelligenza, l’altezza, non sono caratteri mendeliani. I caratteri mendeliani sono rari ma sono i più studiati.

L’espressione di molti caratteri nell’uomo richiede spesso l’interazione di più geni e di fattori ambientali. Tuttavia alcune volte un particolare genotipo in un locus può essere necessario e sufficiente perché il carattere venga espresso. Questo carattere viene chiamato mendeliano.

Malattia mendeliana: definizione

• Osservando l’albero genealogico la malattia segue un’ereditarietà che si rifà alle leggi di Mendel;
• Classicamente la malattia mendeliana è una malattia monogenica, causata dalla mutazione a carico di un solo gene. Nell’uomo si conoscono oltre 5.000 sindromi monogeniche.

La maggior parte delle malattie comuni sono multifattoriali o poligeniche ma le malattie mendeliane esistono e sono ben studiate: anemia falciforme, daltonismo, distrofia muscolare di Duchenne, fibrosi cistica, nanismo acondroplasico, sindrome del QT-lungo.

Tutte le malattie mendeliane conosciute sono raccolte in un database chiamato OMIM, troviamo informazioni e storie sulla malattie, geni responsabili, casi e famiglie, principali centri diagnostici, etc.

I caratteri mendeliani possono essere determinati da loci su un autosoma o sui cromosomi sessuali X e Y. I caratteri autosomici in entrambi i sessi e i caratteri X-linked nelle femmine possono essere dominanti o recessivi.

Genoma, cromosomi e geni

Il genoma indica la totalità del nostro DNA che è contenuto nel nucleo, insieme ad RNA.

Quando parliamo di genoma nucleare ci riferiamo a quantità di DNA codificante o non codificante contenuti nel nucleo delle nostre cellule.

Il genoma del nostro organismo è organizzato in corpiccioli chiamati cromosomi, fatti di DNA e proteine, sono visibili solo durante una fase della divisione mitotica e all’interno ci sono piccole sequenze definite geni.

Nel nostro genoma ci sono tanti geni che codificano proteine ma anche tanti geni che non necessariamente sono tradotti in proteine, ad esempio geni che vengono trascritti in tRNA, rRNA, piccoli RNA regolatori come i microRNA.

In generale un gene è una sequenza di DNA che viene trascritta.

Quanti sono i geni nel genoma delle nostre cellule? Solo uno spicchio inferiore del 2% codifica per proteine.

Poiché tutte le malattie mendeliane che studieremo sono malattie in cui il difetto sta nella mutazione di un gene che codifica per una proteina, è importante capire come mai le malattie mendeliane sono rare, meno del 2% di tutto il nostro genoma.

I geni si trovano all’interno della doppia elica del DNA e sono costituiti da basi azotate. I geni sono sequenze in successione di nucleotidi all’interno della doppia elica.

Gene procariotico

Un gene procariotico codifica una proteina grande 2 amminoacidi perché ogni tripletta codifica un amminoacido: qui timina, timina, guanina codifica un amminoacido; citosina, adenina, guanina codifica l’altro amminoacido.

Nei procarioti la struttura del gene è molto semplice, c’è la sequenza codificante tradotta in proteina, la sequenza del promotore a cui si lega l’RNA polimerasi che deve fare la trascrizione e prima c’è attaccata una regione regolatrice.

Geni eucariotici

Nei nostri geni c’è la presenza degli introni e la regione del promotore; nei geni eucariotici tutte le regioni regolatorie sono delle regioni che possono essere anche lontanissime dal gene che deve essere trascritto; vengono prodotte proteine in posti diversi o singolarmente come proteine o come sequenze di DNA; poi, poiché la cromatina è mobile, assume diverse conformazioni, è un groviglio, alcune sequenze regolatorie possono arrivare in prossimità di un promotore e decidere se trascrivere un gene o no.

Mutazioni

Mutazioni: cambiamenti ereditabili del materiale genetico e sono eventi rari, casuali ed improvvisi.

• 1) Mutazioni geniche: modificazioni chimiche della molecola del DNA. Sostituzioni di basi / Delezioni o inserzioni di basi.
• 2) Mutazioni cromosomiche: cambiamenti nella struttura dei cromosomi. Delezioni / Duplicazioni / Inversioni / Traslocazioni.
• 3) Mutazioni genomiche: cambiamenti nel numero dei cromosomi. Aneuploidia: perdita o aggiunta di uno o pochi cromosomi. Poliploidia: il numero cromosomico diventa multiplo di quello normale.

Mutazioni geniche

1) Mutazioni geniche: modifiche chimiche a livello della sequenza nucleotidica. Si distinguono in:

1. Sostituzione di un nucleotide: cambiamento in una singola base di DNA.

• Mutazione silente: il codice genetico è ridondante e degenerato, ovvero più di una tripletta può codificare lo stesso amminoacido. Pertanto qui una tripletta muta in un’altra che codifica per lo stesso aminoacido. Nessun cambiamento del polipeptide.
• Mutazione missenso: una tripletta muta in un’altra che codifica per un aminoacido diverso, la proteina cambia e non è più funzionale; oppure proteina funzionale perché il nuovo aminoacido ha caratteristiche simili all’originario e non influisce sulla funzionalità della proteina.
• Mutazioni nonsenso: quando la mutazione della tripletta la fa tramutare in un codone di stop e si interrompe la traduzione e la trascrizione. Si ottiene una proteina tronca. Codoni di stop: UAG, UAA, UGA.

2. Delezione e inserzione di uno o più nucleotidi: spostamento della lettura del codice con produzione di una proteina diversa dall’originaria, delezione. Se vengono perse delle basi dipende se sono 3 o multipli di 3, 3 nucleotidi codificano un amminoacido, può avvenire un frameshift, inserzione, cambia il frame di lettura. Avrò una proteina diversa che non funzionerà.

Malattia dominante e recessiva

Malattia dominante: malattia per la quale è sufficiente un’unica mutazione per la manifestazione del carattere, è mutato solo un allele. Malattie dominanti riconoscono diversi meccanismi patogenetici dove l’aploinsufficienza, cioè avere 50% di prodotto proteico, è nell’uomo quello più raro.

Malattia recessiva: ambedue gli alleli non producono la corrispondente proteina o producono una proteina incapace a svolgere quella certa funzione, si ha la mutazione su ogni allele e la proteina non c’è.

Alberi genealogici

Autosomica dominante

1. Autosomica dominante.

Ci sono malati sia maschi sia femmine, entrambi trasmettono la malattia, non c’è un salto generazionale, c’è una trasmissione verticale, ad ogni generazione c’è un affetto. Ogni malato ha almeno un genitore malato, ma non tutti i malati hanno figli malati, c’è 50% di probabilità che lo sia. Per le malattie dominanti esistono diversi meccanismi patogenetici, per vari motivi da una mutazione si arriva al fenotipo patologico.

Esempi di malattia: nanismo acondroplasico, osteogenesi imperfetta, neurofibromatosi, sindrome del QT-lungo, rientra nelle canalopatie come la fibrosi cistica.

Nanismo acondroplasico

Malattia rara: l’incidenza è di 1/25000 nati vivi.

Fenotipo: mancato sviluppo armonico della cartilagine. Gli arti sono corti e tozzi rispetto al corpo, bassa statura disarmonica, non c’è crescita della cartilagine delle ossa lunghe degli arti. Sono presenti diversi dismorfismi facciali: ponte nasale appiattito, fronte molto alta, lordosi lombare, mano e dita corte e tozze.

Patologia cronica, l’unica terapia che esiste sono interventi chirurgici che allungano l’osso di 10/20 cm che permettono di avere una vita autonoma.

Il gene responsabile della malattia si trova sul braccio corto del cromosoma 4. Acondroplasia significa “senza formazione della cartilagine”. Il gene si chiama FGFR3, R sta per recettore di un fattore di crescita dei fibroblasti. Questa è una mutazione missenso nella maggior parte dei casi, ovvero la sostituzione di una base azotata che cambia la tripletta; si ha il cambiamento di un amminoacido nella catena polipeptidica, si passa da una glicina ad un’arginina. Questo recettore è una proteina che si trova sulla membrana plasmatica e serve per accogliere il legame di un fattore di crescita. In condizioni normali questo recettore è un regolatore negativo della crescita ossea, per evitare che le ossa crescano in maniera incontrollata; ci sono periodi in cui l’accrescimento osseo deve essere bloccato. Quando c’è la mutazione questo recettore non ha bisogno di aspettare il legame per bloccare la crescita ma la blocca sempre; diventa costituzionalmente attivo.

Meccanismo patogenetico: guadagno di funzione. La proteina che normalmente è inattiva e deve essere attivata per svolgere la sua funzione, diventa costituzionalmente attiva. La proteina guadagna una funzione, può sempre esercitare la funzione senza il legame con il ligando. Il gene mutato segnala continuamente un segnale del blocco di crescita, perciò la cartilagine delle ossa lunghe non cresce e si ha un nanismo acondroplasico.

Mutazione sporadica o ereditarietà autosomica dominante: spesso molte malattie autosomiche dominanti, poiché riguardano la mutazione di un unico allele, possono essere dovute ad una mutazione sporadica; nella maggior parte dei casi il bambino affetto ha genitori sani perché probabilmente durante spermatogenesi è avvenuta una mutazione. Non esistono portatori sani, solo nelle malattie recessive. Quasi sempre nelle malattie dominanti la condizione di omozigosi dominante è così grave che è letale in utero: due persone con malattia dominante hanno 25% di probabilità di avere un bambino sano, 25% mutazione in entrambi gli alleli, omozigote dominante è letale, 50% bambino con nanismo.

Corea di Huntington

Meccanismo patogenetico: guadagno di funzione. La mutazione dà alla proteina mutata una funzione diversa da quella che essa esercita normalmente. In questa malattia si forma una proteina anomala che guadagna la funzione di tossicità. È una proteina diversa dall’originale, tossica per le cellule in cui viene prodotta, spesso cellule neuronali. Cellula viene identificata come difettosa e viene mandata in apoptosi.

Proto-oncogeni

Altro esempio di come meccanismo patogenetico: guadagno di funzione, riguarda una classe di geni coinvolti nello sviluppo delle neoplasie, ovvero la classe dei proto-oncogeni che quando subiscono una mutazione diventano oncogeni. I proto-oncogeni sono normalmente dei geni che stimolano la proliferazione cellulare. Possono essere proteine, fattori di crescita, recettori, fattori di trascrizione. Sono proteine che in diversi momenti stimolano la crescita. Gli oncogeni continuano a stimolare la crescita in maniera incontrollata.

Osteogenesi imperfetta

Riguarda una serie di malattie caratterizzate a livello clinico da fratture ossee spontanee, deformazione ossea, anche in seguito a traumi molto lievi. Dal punto di vista genetico è caratterizzata da mutazioni a carico dei geni responsabili della produzione del collagene.

[Il tessuto connettivo è morfologicamente caratterizzato da vari tipi di cellule, fibroblasti, macrofagi, mastociti, plasmacellule, leucociti, cellule indifferenziate, cellule adipose o adipociti, condrociti, osteociti, immersi in un abbondante materiale intercellulare, definito MEC, matrice extracellulare, sintetizzato dalle stesse cellule connettivali. La MEC è composta da fibre proteiche insolubili, collagene, elastiche e reticolari, e sostanza fondamentale formata da complessi solubili di carboidrati, in gran parte legati a proteine, detti mucopolissaccaridi acidi, glicoproteine, proteoglicani, glucosamminoglicani e in minor misura, da proteine, fra cui la fibronectina.

Sono le fibre più numerose, impartiscono al tessuto in cui sono presenti colore bianco, ad es. tendini, capsule degli organi, meningi, cornee ecc. Formano l’impalcatura di molti organi e sono i componenti più resistenti del loro stroma, tessuto di sostegno. Presentano molecole lunghe e parallele che si strutturano in microfibrille e quindi in fasci lunghi e tortuosi tenuti assieme da una sostanza cementante contenente carboidrati. Queste fibre sono molto resistenti alla trazione subendo un allungamento del tutto trascurabile. Le fibre di collagene] sono composte principalmente da una scleroproteina, il collagene.

Difetto a carico delle fibre collagene. È una proteina abbondante nel nostro corpo, 30% di tutte le proteine. Proteina collagene è presente in tanti tessuti, in cartilagini, tendini, legamenti, ossa, matrice extracellulare, membrane, cornea, cristallino.

Nell'osteogenesi imperfetta le celle osteoformatrici sembrano avere perduto la capacità di produrre tessuto osseo normale. In sua vece si produce tessuto osseo fibroso, privo cioè di quella organizzazione lamellare che rappresenta il fondamento strutturale dell'osso normale, il quale deve la sua resistenza meccanica proprio a questa particolare architettura interna. A ciò si aggiunge che esiste anche una netta diminuzione quantitativa dell'osso prodotto, pur essendo le cellule in numero normale. Lo scheletro del paziente con osteogenesi imperfetta è dunque qualitativamente e quantitativamente alterato, il che spiega facilmente come esso possa andare incontro a fratture e a deformità.

Caratteristiche fenotipiche riguardano diversi tessuti; una comune a tutti è la fragilità e la deformazione rapida delle ossa. Molti pazienti sono sordi perché i tre ossicini dell’orecchio medio hanno anomalie strutturali. Presentano colorazione blu delle sclere oculari perché sono molto ridotte di spessore. Spesso c’è dentinogenesi imperfetta che colpisce la dentina: lo smalto è normale, viene intaccato solo in un secondo momento, infatti c’è una maggiore predisposizione alle carie, la dentina è più scura del normale perché è meno compatta, si creano abrasioni allo smalto. In tutte queste raramente c’è deficit cognitivo.

Geni responsabili di questa malattia: gene COL1A1 sul cromosoma 7 e il COL1A2 sul cromosoma 17. L'unità strutturale del collagene è rappresentata dal tropocollagene, proteina formata da tre catene polipeptidiche che si associano a formare una tripla elica. Solitamente, per il collagene di tipo I, sono presenti due subunità alfa1 che derivano da questa proteina codificata dal gene COL1A1 e una subunità alfa 2 codificata dall’altro gene, si formano trecce di proto-collagene che vengono unite da legami a idrogeno a formare la fibra più resistente.

Meccanismi patogenetici

• Aploinsufficienza, che riguarda maggiormente la subunità alfa1. Se sul cromosoma 7 in cui c’è COL1A1 c’è una mutazione e non verrà prodotta la proteina, sull’altro cromosoma 7 il gene sano produce la proteina, ho solo 50/100 di proteina COL1A1, ma permette comunque di produrre un collagene funzionale, la malattia è più lieve.
• In altri casi una mutazione aminoacidica in un punto critico, ad es. in corrispondenza dei residui di glicina, importanti per l’avvolgimento, compromette la struttura proteica, forma severa. Questa seconda eventualità è un esempio di interferenza, o codominanza negativa, tra prodotti mutati e non mutati.

Pertanto la forma lieve si associa ad un’aploinsufficienza, la forma severa si associa ad un’interferenza dell’allele mutato con l’allele sano.

Sindrome di Marfan

Malattia autosomica dominante. Esempio di osteogenesi imperfetta. Prevalenza: 2-3/10.000 nati vivi.

Viene colpito il tessuto connettivo. Le fibre interessate sono fibre elastiche, particolarmente abbondanti nel tessuto elastico, fondamentale nel sistema cardiocircolatorio. Fibre elastiche si trovano anche in tendini e articolazioni. Le fibre elastiche non sono costituite unicamente da fibrillina ma ci sono anche altre proteine che insieme formano dei complessi proteici. La fibrillina funziona con altre proteine per formare fibra elastica molto funzionale.

Se la fibrillina è mutata il meccanismo patogenetico è l’interferenza.

Se ci sono altre proteine che sono contenute nella fibra elastica, il paziente con la sindrome nella maggior parte dei casi ha la fibrillina difettosa, ma ci può essere paziente in cui il gene per fibrillina non è mutato ma è mutato un gene che codifica per un’altra proteina del complesso proteico.

Fibrillina è una glicoproteina, una delle proteine essenziali delle fibre elastiche, è un gene molto grande, si conoscono più di 500 mutazioni a carico del gene della fibrillina, queste mutazioni possono essere responsabili anche di patologie simili.

Patologia complicata dal punto di vista dell’inquadramento diagnostico. Complessa per due fattori:

• In una certa percentuale di casi, 10%, le mutazioni non sono a carico del gene della fibrillina ma esistono altri geni che se mutati possono dare fenotipo Marfan;
• Ci sono tante malattie che hanno fenotipo simile.

È importante fare diagnosi differenziale, a livello di caratteristiche fenotipiche molte malattie possono essere simili tra loro ma riconoscere cause diverse.

Caratteristiche fenotipiche: sono colpiti l’apparato cardiovascolare e l’apparato scheletrico; sono ragazzi molto alti con braccia e gambe lunghe, aspetto dinoccolato, articolazioni estremamente mobili, lussazione del cristallino che può portare al distacco dalla retina.

L’entità dei sintomi cardiovascolari è molto variabile. Due problemi