Appunti slide di Neurogenetica

Slide di neurogenetica

DEFINIZIONI DI NEUROGENETICA

La neurogenetica è la disciplina che studia le relazioni tra il genoma e il sistema nervoso,

analizza come i geni influenzano lo sviluppo, la funzione e le patologie del SNC.

Il gene è l’unità fondamentale dell’informazione ereditaria. In termini molecolari è un

segmento di DNA che contiene le istruzioni necessarie per la produzione di:

 Proteine, attraverso i processi di trascrizione (produzione di mRNA) e traduzione

(sintesi proteica).

 RNA funzionali non codificanti, come tRNA, rRNA e altri RNA regolatori che

svolgono ruoli specifici nella cellula senza essere tradotti in proteine.

Un gene è composto da diverse regioni funzionali: promotore (la sequenza che regola l’inizio

della trascrizione), sequenze esoniche (porzioni codificanti che saranno tradotte in proteina),

introni (sequenze non codificanti all’interno del gene, rimosse durante lo splicing

dell’mRNA), sequenze regolatorie a distanza (enhancers e silencers che modulano

l’espressione genica), codone d’inizio e codone di stop (segnali che delimitano la porzione

traducibile del messaggio).

Nell’uomo circa 20.000-24.000 geni codificanti proteine, i geni occupano solo circa

1,5% del genoma umano, il restante DNA svolge ruoli regolatori o strutturali.

Neurone: è la cellula fondamentale del sistema nervoso responsabile della trasmissione e

dell’elaborazione delle informazioni. È specializzato per ricevere, integrare e trasmettere

segnali sia di natura elettrica che chimica. La sua struttura di base è caratterizzata dal soma,

ossia il corpo cellulare che contiene il nucleo e rappresenta il centro metabolico della cellula.

Dai dendriti ossia estensioni ramificate che ricevono segnali da altri neuroni. Dall’assone

ossia un lungo prolungamento che trasporta l’impulso nervoso verso altre cellule. I terminali

sinaptici che sono le estremità dell’assone dove avviene la trasmissione chimica del segnale

alle cellule bersaglio. Sinapsi che sono il punto di comunicazione tra due neuroni o tra un

neurone e una cellula effettore (muscolare o ghiandolare).

Tipi di neuroni:

- sensoriali che ricevono informazioni dall’ambiente esterno o interno

- motori che trasmettono comandi a muscoli e ghiandole

- interneuroni collegano i neuroni tra loro, formando circuiti complessi

Sviluppo del cervello:

1) origine embrionale, il cervello deriva dal tubo neurale, una struttura che si forma intorno

alla terza-quarta settimana di sviluppo embrionale dell’uomo.

2) proliferazione neuronale, le cellule staminali neurali (che si originano nella zona

ventricolare), localizzate nel tubo neurale, si moltiplicano intensamente formando

neuroblasti (i precursori dei neuroni).

3) migrazione neuronale dove i neuroblasti migrano verso la loro posizione finale nel

cervello in via di formazione, questo processo da luogo alla stratificazione della corteccia

cerebrale.

4) differenziazione, le cellule si specializzano in neuroni o cellule gliali, di supporto, qui i

neuroni acquisiscono identità specifiche in base alla regione cerebrale.

5) sinaptogenesi è la formazione delle connessioni, gli assoni si allungano, raggiungono i

bersagli e formano sinapsi. Le connessioni vengono regolate e perfezionate in base

all’attività elettrica e agli stimoli ambientali.

6) potatura sinaptica, maturazione, le connessioni non utilizzate vengono eliminate

(pruring), mentre quelle funzionali si rafforzano. Questo processo prosegue fino

all’adolescenza.

7) mielinizzazione, quando gli assoni vengono rivestiti di mielina (prodotta dagli

oligodendrociti) che accelera la trasmissione del segnale nervoso.

Vari tipi di migrazione neurale: radiale, è la forma principale nella corteccia cerebrale. I

neuroni utilizzano come "guida" le cellule gliali radiali, lungo le quali “scivolano” verso

l'esterno, fino alla placca corticale. Questo tipo di migrazione organizza la corteccia

cerebrale in strati (laminazione), con i neuroni più giovani che migrano oltre i più vecchi

(principio inside-out). Tangenziale, utilizzata soprattutto da interneuroni GABAergici e

cellule della cresta neurale. I neuroni si muovono parallelamente alla superficie cerebrale,

seguendo vie chimiche o meccanismi di attrazione/repulsione. Fondamentale per la

popolazione di regioni specifiche come la corteccia, l'ippocampo e il bulbo olfattivo. A

catena gruppi di neuroblasti si muovono insieme formando “catene”, come avviene nella

migrazione dei neuroni dal ventricolo laterale verso il bulbo olfattivo (via rostrale

migratoria).

Nella fase finale dello sviluppo cerebrale avviene l’arresto e la maturazione, i neuroni

fremano la loro migrazione una volta raggiunta la destinazione. Formano dendriti, assoni e

sinapsi completando la loro maturazione funzionale.

Nell’organizzazione finale del cervello troviamo il:

- Cervello anteriore (telencefalo e diencefalo) include corteccia cerebrale, talamo e

ipotalamo.

- Cervello medio (mesencefalo) determina funzioni motorie, riflessi visivi e uditivi,

registrazione del dolore.

- Cervello posteriore (metencefalo e mielencefalo) comprende cervelletto e bulbo,

responsabili di coordinazione, equilibrio e funzioni vitali.

Sistema limbico sistema di strutture neurali al confine tra il tronco encefalico e il

cervello, associato ad emozioni come paura e aggressività, impulso della fame e del sesso.

Include l’ippocampo, l’amigdala e l’ipotalamo. Nello specifico l’amigdala è collegata alle

emozioni e l’ipotalamo alle attività di mantenimento come bere, mangiare, temperatura

corporea, controllo e sorveglianza del sistema endocrino tramite la ghiandola pituitaria. Il

talamo è la stazione di trasmissione per i messaggi in arrivo dai recettori sensoriali (tranne

l’olfatto). La formazione reticolare è il sistema di allerta, il ponte regola i cicli sonno-veglia

mentre il midollo regola respirazione, frequenza cardiaca e pressione sanguigna.

La Neurogenetica è una disciplina che studia la relazione tra geni e sistema nervoso,

analizzando come le informazioni genetiche influenzano lo sviluppo, la funzione e le

patologie del cervello e del midollo spinale. La neurogenetica consente di studiare e capire

quali geni regolano la formazione e la migrazione dei neuroni, la formazione delle sinapsi e

la plasticità neuronale. Aiuta a spiegare come piccoli difetti genetici possano determinare

malformazioni cerebrali o alterazioni delle connessioni neuronali. Molte malattie

neurologiche hanno una base genetica, come: malattie neurodegenerative: Alzheimer,

Parkinson, SLA, Epilessie genetiche, disordini del neuro sviluppo: autismo, ADHD,

disabilità intellettiva, malattie neuromuscolari. La neurogenetica permette di identificare i

geni coinvolti, chiarire i meccanismi patogenetici e orientare strategie terapeutiche.

Può essere utilizzata per la prevenzione, la conoscenza delle varianti genetiche può

consentire di: identificare persone a rischio di malattie neurologiche, implementare

programmi di sorveglianza e prevenzione precoce, prevedere la risposta individuale ai

trattamenti (farmacogenetica).

Importante per comprendere il funzionamento cerebrale normale, Studiando i geni coinvolti

nel controllo della memoria, dell’apprendimento, della plasticità sinaptica, la neurogenetica

contribuisce a spiegare: come il cervello elabora informazioni, quali sono le basi genetiche

della cognizione, dell’emotività e dei comportamenti complessi.

Ricerca evolutiva, La neurogenetica permette di studiare come il cervello umano si sia

evoluto, quali geni abbiano determinato il salto evolutivo rispetto ad altre specie, e quali

meccanismi genetici contribuiscano alla complessità delle funzioni cognitive superiori.

La psicologia studia i comportamenti umani, ma senza la neurogenetica sarebbe difficile

capire quali geni regolano lo sviluppo e il funzionamento dei circuiti cerebrali che

controllano:

- memoria

- attenzione

- apprendimento

- emozioni

- capacità linguistiche

- comportamento sociale

Ogni individuo presenta differenze in intelligenza, personalità, gestione dello stress,

impulsività, resilienza. La neurogenetica aiuta a spiegare come la combinazione di varianti

genetiche influenzi queste differenze psicologiche e come esse interagiscano con l’ambiente

(modello gene-ambiente).

Importante anche nello studio delle basi genetiche dei disturbi psichiatrici come depressione,

disturbo bipolare, schizofrenia, autismo, ansia, DOC, disturbi della personalità. La

neurogenetica consente di identificare i geni e le vie molecolari coinvolte, contribuendo a

comprendere meglio questi disturbi.

Sviluppo strategie e prevenzione: Studio meccanismi cognitivi superiori,

identificare fattori di rischio genetico capire quali geni e quali proteine

nelle popolazioni, impostare programmi regolano: la plasticità neuronale

di prevenzione precoce, personalizzare i (fondamentale per l’apprendimento), la

trattamenti (psicofarmacologia di memoria a breve e lungo termine, la

precisione e terapia cognitivo- regolazione emotiva e la capacità di

comportamentale adattata al profilo coping, i meccanismi decisionali e il

genetico). controllo esecutivo.

La neurogenetica permette di comprendere come la maturazione del cervello e le variazioni

genetiche influenzino le tappe dello sviluppo cognitivo ed emotivo nell’infanzia e

nell’adolescenza. La neurogenetica si articola in 3 principali approcci:

- Strumentale o applicata

La neurogenetica strumentale utilizza mutanti genetici e tecniche genetiche come strumenti

per analizzare gli aspetti strutturali o funzionali del sistema nervoso. L’obiettivo principale è

comprendere i meccanismi alla base della formazione e del funzionamento del cervello

attraverso manipolazioni genetiche mirate.

Es: Le varianti homeotiche sono alterazioni genetiche che modificano l'identità dei segmenti

corporei.

L’Enhancer trap è una tecnologia genetica particolarmente utile in neurogenetica

sperimentale, in quanto consente di ottenere una mappa funzionale e anatomica di

popolazioni neuronali specifiche, attraverso l'uso di linee transgeniche. Una trappola

enhancer è un costrutto inserzionale che contiene un promotore debole a monte di un gene. Il

promotore è troppo debole per generare da solo qualcosa di diverso da un'espressione

minima, ma se il costrutto si inserisce nelle vicinanze di un enhancer endogeno, questo può

attivare il gene e generare un modello di espressione forte e specifico. Permettono di

visualizzare, tracciare e manipolare sottopopolazioni neuronali specifiche in vivo,

consentono studi di morfologia neuronale, pattern di connessione sinaptica e attività

neuronale.

- Analitica

Si occupa di studiare i meccanismi molecolari attraverso cui i geni influenzano il sistema

nervoso e cerca di chiarire le interazioni tra geni, neuroni, circuiti neuronali e

comportamento.

Es: albinismo dove la melanina non è solo responsabile della pigmentazione, ma è anche

coinvolta nello sviluppo corretto delle proiezioni del nervo ottico. La perdita di melanina

altera la crescita degli assoni, modificando il percorso delle fibre retiniche nel chiasma

ottico.

- Medica

Si concentra sullo studio delle basi genetiche delle malattie neurologiche e

neuropsichiatriche. Analizza come le varianti genetiche contribuiscono a patologie del

sistema nervoso centrale e sviluppa strategie per la diagnosi e il trattamento. Identifica fattori

genetici di rischio per le malattie neurodegenerative e neuropsichiatriche Permette di

sviluppare strategie diagnostiche avanzate, come i test genetici. Contribuisce alla

personalizzazione delle terapie, inclusi farmaci basati sulla genetica individuale

(farmacogenomica).

Modelli utilizzati nella neurogenetica sperimentale: la neurogenetica utilizza organismi

modello per studiare il ruolo dei geni nello sviluppo e nel funzionamento del sistema

nervoso. Tuttavia, il numero di modelli sperimentali consolidati è relativamente piccolo, a

causa di rigorosi requisiti di allevamento e sperimentazione. L’organismo modello ideale

deve possedere le seguenti caratteristiche:

-Facilità di allevamento e ciclo vitale breve, che consente esperimenti su più generazioni.

- Genoma di dimensioni ridotte, per facilitare la manipolazione genetica.

- Corpo trasparente e numero limitato di neuroni, per tracciare lo sviluppo neuronale.

- Repertorio comportamentale interessante, per correlare geni e funzioni cognitive.

- Rilevanza per la neurogenetica medica, con potenziali applicazioni nelle malattie

neurologiche.

- Negli ultimi anni, oltre ai modelli invertebrati e vertebrati, si sono affermati organoidi

cerebrali umani come strumento innovativo per lo studio dello sviluppo e delle malattie del

cervello umano.

Gli invertebrati rappresentano modelli essenziali per lo studio della neurogenetica grazie alla

loro semplicità strutturale e alla possibilità di manipolazione genetica avanzata.

Organoidi cerebrali umani Si basa sull’uso di cellule staminali umane totipotente, cioè

capaci di dare origine a qualsiasi tipo di tessuto, come nelle prime fasi dello sviluppo

embrionale. Queste cellule possono ricavarsi dalla pelle o dai linfociti dell’adulto

geneticamente modificate.

Sviluppo neuroni: circa 86 miliardi di neuroni nell’essere umano, circa l’80% dei geni

umani è espresso nel sistema nervoso (molti dei geni regolano la crescita dei neuroni, la

formazione delle sinapsi e il funzionamento delle reti neurali), le mutazioni nei geni chiave

possono alterare lo sviluppo cerebrale, causando patologie come microcefalia, autismo e

epilessia.

Genoma manuale d’istruzioni del nostro organismo, è scritto con un alfabeto formato

da sole 4 lettere: A, T, C e G. Guida la crescita, lo sviluppo e il funzionamento di ogni cellula

del nostro corpo, è costituito da circa 3,2 miliardi di paia di basi (ovvero le unità chimiche

che formano il DNA).

Queste basi sono organizzate in 23 paia di cromosomi che si trovano all’interno del nucleo

delle cellule. Di queste coppie 22 sono autosomi (uguali in entrambi i sessi), mentre la

ventitreesima coppia determina il sesso biologico di un individuo, XX nelle femmine e XY

nei maschi.

Sebbene il genoma contenga tutte le istruzioni necessarie per lo sviluppo e il funzionamento

dell'organismo solo circa l'1,5% delle sue sequenze è costituito da esoni codificanti proteine,

ovvero quelle porzioni di DNA che contengono le informazioni per la sintesi delle proteine.

Il resto del genoma è formato da regioni non codificanti, con ruoli fondamentali nella

regolazione dell'espressione genica e in altri processi biologici. Le regioni non codificanti

includono: elementi regolatori, sequenze ripetitive di DNA, altri elementi funzionali.

Oltre al DNA presente nel nucleo, esiste anche una piccola quantità di DNA nei mitocondri,

gli organelli responsabili della produzione di energia nelle cellule. Questo DNA

mitocondriale è ereditato esclusivamente dalla madre, poiché lo spermatozoo non trasmette

i suoi mitocondri al momento della fecondazione.

Attraverso donazioni di volontari anonimi che hanno offerto il loro DNA si è riusciti a fare

una sequenza di riferimento del genoma umano nel 2003 (questo per poter descrivere

completamente il genoma umano mediante il sequenziamento, creare accurate mappe fisiche

dei cromosomi umani, sviluppo di tecnologie di supporto, creazione di Banche dati per

archiviare il dato genetico, identificazione di alterazioni nella sequenza di DNA determinanti

lo sviluppo di patologie umane – geni malattia, comprendere le basi genetiche

dell’evoluzione e del funzionamento dell’organismo umano, capire come l’uomo si è

adattato all’ambiente.

Sequenziamento del DNA di nuova generazione, ossia NGS-Next Generation Sequencing

Si basa sul principio del sequenziamento di cluster clonali: milioni di analisi di

sequenziamento di DNA contemporaneamente sullo stesso campione e su più campioni

diversi.

CLASSIFICAZIONE DELLE MALATTIE GENETICHE

 Malattie Monogeniche (Mendeliane)

 Malattie Cromosomiche (anomalie nel numero e nella struttura)

 Malattie Multifattoriali (o poligeniche)

 Malattie da Varianti delle cellule somatiche

 Malattie da Varianti del genoma mitocondriale

Le malattie monogeniche sono dovute a varianti in un singolo gene e sono rare, presentano

un alto rischio di ricorrenza familiare e la modalità di trasmissione è generalmente

riconoscibile e prevedibili (si trasmettono secondo schemi ereditari come dominanti o

recessivi o legati al cromosoma X). I caratteri genetici più semplici sono quelli la cui

presenza o assenza dipende dal genotipo (la costituzione genetica di un individuo in un

singolo locus).

Esempi: fibrosi cistica, emofilia, distrofia muscolare Duchenne, favismo, acondroplasia,

neurofibromatosi, anemia, sindrome dell’X fragile, malattia di Huntington.

Alleli: un allele è dominante se il suo effetto maschera l'effetto di un allele recessivo ad esso

abbinato. Lettere capitali (A) significa allele dominante; le lettere minuscole (a) indicano

alleli recessivi. Omozigote dominante (AA), omozigote recessivo (aa) e eterozigote (Aa).

Nelle autosomiche dominanti ogni figlio di un soggetto con tale condizione ha quindi 50%

di ereditare l’alterazione genetica, esistono alcune malattie umane autosomiche dominanti e

alcuni tratti rari hanno questo modello di ereditarietà:

- acondroplasia (nanismo)

- ipertensione

- malattia di Huntington

- neurofibromatosi

- progeria

- ipercolesterolemia

- polidattilia e sindattilia

- glaucoma

Le malattie cromosomiche sono date dalla deficienza o all’eccesso di interi cromosomi o

frammenti di cromosoma (non un singolo), rischio di ricorrenza familiare molto variabile. I

sintomi frequenti possono essere disabilità intellettiva e segni dismorfici, la frequenza è circa

7/1000 (Circa 1 bambino su 150 in Europa nasce con un'anomalia cromosomica; è stato

stimato che queste vengono rilevate in circa il 25% di tutti gli aborti e nati morti, e nel 50-

60% degli aborti del primo trimestre). Il termine “anomalie cromosomiche” descrive sia

riarrangiamenti di numero che di struttura, include: aneuploidie, aneusomie, delezioni,

duplicazioni (rigurdanti segmenti terminali and interstiziali), triplicazioni, cromosomi

derivativi, riarrangiamenti complessi.

Esempi: Sindrome di Down, Trisomia 18 e 13, sindrome di Klinefelter XXY e sindrome di

Turner XO.

Prima che la cellula si divida, la cromatina si condensa e forma delle strutture che si

colorano: i cromosomi. La struttura elementare del cromosoma è una fibra di 110Å di Ø,

formata da nucleosomi, ogni nucleosoma contiene 8 molecole di istoni (principali proteine

strutturali del cromosoma), attorno alle quali si avvolgono circa 200 copie di basi di DNA.

La famiglia degli istoni comprende le proteine H1, H2, H2b, H3 e H4.

I cromosomi sono l’espressione dell’ordine più elevato dell’organizzazione della cromatina,

contengono sia regioni a DNA ripetitivo, trascrizionalmente silenti, sia le unità funzionali

trascritte, cioè i geni. Ogni specie ha un determinato numero di cromosomi e caratteristiche

morfologiche peculiari, i cromosomi sono classificati in ordine decrescente, dai più grandi ai

più piccoli, secondo uno schema standardizzato noto come cariotipo. I cromosomi, proprio

per il compito di veicolare l’informazione genetica e di trasmetterla da generazione in

generazione, occupano una posizione centrale nella genetica umana. Nella specie umana: 46

Cellule che presentano coppie di cromosomi omologhi: DIPLOIDI (22n) Gli ovociti e gli

spermatozoi (gameti) APLOIDI (23n). I cromosomi bandeggiati vengono classificati

secondo una nomenclatura standardizzata.

La femmina ha una doppia copia, una per omologo, dei geni localizzati sul cromosoma X, Il

maschio ne ha una sola ed è quindi emizigote per i geni del cromosoma X. Funzionalmente

la femmina è emizigote per i geni del cromosoma X. La legge di compensazione genica nota

come lyonizzazione (da Mary Lyon) fa sì che intorno al 15°-16° giorno dello sviluppo

embrionale una delle due X vada incontro ad inattivazione, diventando trascrizionalmente

silente. Nelle femmine che sono eterozigoti in un locus legato all’X, circa il 50% delle

cellule esprimerà un allele, e il rimanente 50% esprimerà l’altro; perciò nelle femmine

eterozigoti vengono prodotte proteine codificate da entrambi gli alleli, anche se non

all’interno della stessa cellula. Questa emizigosi funzionale significa che nelle femmine le

cellule non sono identiche relativamente all’espressione dei geni sul cromosoma X; le

femmine sono mosaici. Dopo che un cromosoma X è divenuto inattivo in una cellula, resta

tale anche in tutte le cellule somatiche che discendono da quella. Per questo motivo le cellule

vicine tendono a presentare lo stesso cromosoma X inattivato, e producono un «modello a

chiazze.

Le regioni pseudoautosomiche di X e Y sono chiamate PAR1 e PAR2. PAR1 si trova alla fine

del braccio corto (p) dei cromosomi si estende per circa 2,7 megabasi. Contiene almeno 24

geni noti. PAR2 si trova alla fine del braccio lungo (q) è lungo circa 0,33 Mb.

Le malattie multifattoriali coinvolgono più geni (poligeniche), sono molto frequenti e

comprendono vari tipi di malformazioni congeniti e malattie frequenti dell’adulto. La

modalità di trasmissione non è classicamente mendeliana e sono legate alle interazioni con

l’ambiente. Basi molecolari e meccanismo patogenetico complesso, non sempre

evidenziabile. Dipende dalla predisposizione che si può avere a sviluppare determinate

patologie.

Esempi: diabete di tipo 2, ipertensione, labiopalatoschisi, malattia coronarica.

Le malattie genetiche da difetto delle cellule somatiche colpiscono di solito un unico tipo

cellulare, sono dovute in molti casi a una mutazione ereditata attraverso le cellule germinali,

attraverso predisposizione + una mutazione nelle cellule somatiche (second hit).

Esempi: tumori

Le malattie mitocondriali sono dovute a mutazioni del genoma mitocondriale e sono

trasmesse esclusivamente per via materna.

Esempi: atrofia ottica di Leber, epilessia.

Una differenza dello 0.1% nella composizione del DNA è sufficiente per dar luogo alla

variabilità della popolazione. I polimorfismi sono variazioni della sequenza del DNA

presenti nella popolazione