Argomenti sommari genetica

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Indice

1. Cromosomi umani, stabilità ed errori .................................................................................................... 4

1.1 Struttura dei cromosomi ..................................................................................................................................................... 4

1.2 Struttura di un centromero ................................................................................................................................................ 4

1.3 Coesine mitotiche .................................................................................................................................................................. 8

1.4 Il sistema SAC ........................................................................................................................................................................ 10

1.5 Aurora chinasi B .................................................................................................................................................................... 12

1.6 Errori di attacco MT-KT, risoluzione e sequele ......................................................................................................... 13

1.7 Effetti generali delle trisomie .......................................................................................................................................... 20

1.8 Struttura dei telomeri ......................................................................................................................................................... 24

2. Aneuploidie costitutive ......................................................................................................................... 33

2.1 Incidenza delle aneuploidie costitutive ....................................................................................................................... 33

2.2 Vulnerabilità della meiosi femminile ............................................................................................................................ 34

2.3 Vulnerabilità della meiosi maschile ............................................................................................................................... 55

3. Mutazioni cromosomiche di struttura .................................................................................................. 60

3.1 Mutazioni cromosomiche di struttura ......................................................................................................................... 60

3.2 Sistemi di riparo del DNA ................................................................................................................................................. 62

3.3 Riarrangiamenti per alterata ricombinazione tra sequenze omologhe .......................................................... 64

4. Cromoanagenesi..................................................................................................................................... 65

4.1 Cromotripsia ........................................................................................................................................................................... 65

4.2 Cromoanasintesi ................................................................................................................................................................... 65

4.3 Cromoplessia ......................................................................................................................................................................... 66

4.4 Origini della cromotripsia ................................................................................................................................................. 67

4.5 Meccanismo ALT .................................................................................................................................................................. 72

5. Mutazioni cromosomiche bilanciate .................................................................................................... 73

6. Traslocazioni e inversioni ...................................................................................................................... 73

6.1 Eventi associati alle traslocazioni ................................................................................................................................... 73

6.2 Sbilanciamenti genomici in riarrangiamenti cromosomici bilanciati ............................................................... 76

6.3 Metodiche di sequenziamento ....................................................................................................................................... 76

6.4 Rischio riproduttivo di soggetti portatori di riarrangiamenti bilanciati ......................................................... 77

6.5 Traslocazioni reciproche .................................................................................................................................................... 77

6.6 Traslocazioni robertsoniane ............................................................................................................................................. 86

6.7 Cenni sull’attività dei cromosomi sessuali .................................................................................................................. 91

6.8 Disomia uniparentale .......................................................................................................................................................... 92

6.9 Inversioni cromosomiche .................................................................................................................................................. 95

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6.10 Inversioni pericentriche ..................................................................................................................................................... 95

6.11 Inversioni polimorfe ............................................................................................................................................................ 97

6.12 Inversioni paracentriche .................................................................................................................................................... 98

7. Cromosomi ad anello ........................................................................................................................... 101

7.1 Caratteristiche dei cromosomi ad anello ................................................................................................................. 101

7.2 Casi clinici ............................................................................................................................................................................. 103

8. Isocromosomi ....................................................................................................................................... 106

8.1 Cos’è un’isocromosoma? ............................................................................................................................................... 106

8.2 Isocromosomi del cromosoma X ................................................................................................................................ 106

8.3 Isocromosomi del cromosoma Y ................................................................................................................................ 107

8.4 Isocromosomi derivati da acrocentrici ...................................................................................................................... 108

8.5 Isocromosomi sovrannumerari (tetrasomia in mosaico) ................................................................................... 109

9. Diagnosi prenatale ............................................................................................................................... 111

9.1 Villocentesi ........................................................................................................................................................................... 111

9.2 Amniocentesi ...................................................................................................................................................................... 113

9.3 Cordocentesi ....................................................................................................................................................................... 114

9.4 Indicazioni all’indagine citogenetica prenatale invasiva.................................................................................... 115

9.5 Test di screening................................................................................................................................................................ 118

9.6 Chromosomal Microarray Analysis (CMA) dal DNA estratto da CVS o LA ................................................. 124

A. Malattie X-linked.................................................................................................................................. 127

A.1 Caratteristiche generali ................................................................................................................................................... 127

A.2 Deficit di glucosio-6-fosfato deidrogenasi (X-linked recessivo) ....................................................................... 128

A.3 Rachitismo ipofosfatemico (X-linked dominante) ............................................................................................... 128

A.4 Incontinentia pigmenti (X-linked dominante) ....................................................................................................... 129

A.5 Sindrome di Turner (45, X0) .......................................................................................................................................... 129

A.6 Il gene SHOX ....................................................................................................................................................................... 130

B. Epigenetica ........................................................................................................................................... 132

B.1 Caratteristiche generali ................................................................................................................................................... 132

B.2 Malattie genetiche associate ........................................................................................................................................ 133

B.3 Diversità funzionale dell’RNA ....................................................................................................................................... 134

C. Mutazioni dinamiche ........................................................................................................................... 137

C.1 Caratteristiche generali ................................................................................................................................................... 137

C.2 Distrofia miotonica ........................................................................................................................................................... 137

C.3 Sindrome dell’X fragile .................................................................................................................................................... 138

C.4 Altre malattie ...................................................................................................................................................................... 139

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1. Cromosomi umani, stabilità ed errori

1.1 Struttura dei cromosomi

Qui sopra si può osservare un cariotipo normale di un essere umano, caratterizzato da 23 coppie di cromosomi

bicromatidici per un totale di 46 cromosomi.

Quali sono le strutture che provvedono alla stabilità sia numerica sia strutturale di un cromosoma? Si identificano

due strutture: il centromero e il telomero. I telomeri sono strutture specializzate che chiudono i cromosomi

lineari. Il centromero è una struttura specializzata del cromosoma presente a livello delle costrizioni primarie

(ovvero laddove i cromatidi fratelli sembrano restringersi) tali per cui ciascun cromatidio presenta un

centromero; il centromero è la struttura della cromatina cromosomica su cui si organizza il cinetocore, cioè il

complesso multiproteico che collega il centromero ai microtubuli del fuso mitotico (in mitosi) o del fuso

meiotico (in meiosi), quest’ultimi responsabili della segregazione dei cromosomi.

A cosa serve il centromero e, quindi, il cinetocore? Serve a dirigere la segregazione cromosomica sia in mitosi

sia in meiosi; inoltre, il centromero organizza il cinetocore a cui si attaccano i microtubuli del fuso.

1.2 Struttura di un centromero

In un centromero si riconosce una sequenza centromerica detta sequenza alfoide, specifica per i primati e,

quindi, nell’uomo (identificata per la prima volta in una scimmia chiamata α-α).

La sequenza alfoide è data dalla ripetizione di una sequenza (ogni volta che abbiamo una sequenza ripetuta

essa viene chiamata sequenza satellite) di 171 pb ricca in adenina e timine. La sequenza alfoide si riconosce

a livello della regione centromerica perché vi è una organizzazione detta HOR (High order repeats = ripetizioni

di ordine superiore): un HOR è una ripetizione di 1-3 kb caratterizzata da un certo numero di sequenze alfoidi,

ove le sequenze alfoidi di uno stesso HOR differiscono poco tra di loro ma sono proposte nella stessa posizione

fra HOR differenti; pertanto, un HOR è omologo al successivo, sebbene le sequenze alfoidi all’interno di uno

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stesso HOR possano essere lievemente divergenti. Ogni cromosoma umano possiede HOR caratteristici i quali

si ripetono in modo caratteristico, dunque, è possibile identificare tutti i centromeri umani mediante delle

sequenze alfoidi specifiche. Le sequenze HOR occupano uno spazio dell’ordine di Mb all’interno del DNA. La

regione degli HOR è compresa a destra e a sinistra dall’eterocromatina costitutiva, la quale è caratterizzata da

non avere sequenze trascritte (le sequenze eterocromatiche hanno un ruolo secondario nella struttura del

centromero, dato che hanno un ruolo nella coesione dei cromatidi fratelli).

Si potrebbe pensare che siano le sequenze centromeriche HOR responsabili dell’organizzazione e funzione del

centromero, ma non è così poiché la funzione centromerica è di natura epigenetica, ovvero si può costituire

indipendentemente da delle sequenze di DNA specifico. Si ricordi, infatti, che il DNA centromerico ha un ruolo

nello stabilizzare il centromero ma non è essenziale a esso! Per formare il centromero è, invece, fondamentale

la proteina CenH3 (variante dell’istone H3), chiamata nell’uomo CENP-A. È possibile avere centromeri

funzionanti solo con CENP-A e senza sequenze centromeriche, ma non è possibile avere centromeri funzionanti

con sequenze centromeriche e senza CENP-A.

Se si svolgesse la cromatina centromerica, si troverebbe un certo numero di istoni CENP-A intervallati da istoni

H3 normali dove quest’ultimi, pur essendo in una struttura cromatinica chiusa di tipo eterocromatico che non

contiene geni, presentano marcature di tipo eucromatico come la metilazione della lisina 4 (H3K4me2) oppure

la metilazione della lisina 36 (H3K36me2) oppure la Bub-ilazione dell’istone 2 (H2Bub): questo avviene perché

la cromatina centromerica viene trascritta in un RNA non codificante il quale ha un ruolo nella costruzione e

nel mantenimento della struttura centromerica. Solo una piccola parte dei nucleosomi del centromero contiene

CENP-A (non oltre i 200 nucleosomi) i quali sono sufficienti a specificare il centromero.

La struttura tridimensionle

della cromatina centromerica

si organizza in modo tale che

la cromatina attorno a CENP-

A occupi la parte esposta

verso l’esterno del

centromero. In questo modo

può organizzarsi il cinetocore

che deve affacciarsi con i

microtubuli. La presenza di

CENP-A all’interno della

cromatina centromerica

organizza “la rete costitutiva

del centromero” detta CCAN

(Constitutive Centromere-

Associated Network),

costituita da 16 proteine

diverse che sono presenti a

livello del centromero in tutte

le fasi del ciclo cellulare e che

si organizzano in 6 complessi. Figura 1 Strutture delle reti CCAN e KMN nel centromero.

Il reclutamento e le

interazioni tra questi

complessi dipendono da CENP-A; senza CENP-A, infatti, queste proteine non verrebbero reclutate a livello

centromerico. Nel momento in cui comincia la mitosi, la rete costitutiva centromerica organizzata da CENP-A

prende contatto con altri complessi proteici che costituiscono la rete KMN (= Mis12 + Knl1 + Ndc80).

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CENP-C e CENP-T, due componenti della rete CCAN, ne rappresentano i bracci con cui prende contatto con le

proteine della rete KMN, che a sua volta ha contatto con i microtubuli del fuso. CENP-T ha rapporto sia con

Ndc80 sia con Mis12 e Knl1 mentre CENP-C solo Mis12 e Knl1.

Recap. Il cinetocore esterno è costituito da due parti di cui una più prossimale, rispetto alla cromatina

centromerica, (CENP-C e CENP-T) e una più distale (KMN).

Sappiamo che il caricamento dei nucleosomi è abbinato alla replicazione del DNA, tuttavia i nucleosomi

contenenti CENP-A, a livello della cromatina centromerica, non hanno questo abbinamento (fa parte di quel

gruppo di nucleosomi che si incorporano nella cromatina indipendentemente dalla replicazione del DNA); ciò

vuol dire che durante la replicazione del DNA centromerico, il CENP-A presente all’inizio verrà ridistribuito nelle

eliche figlie per cui l’anafase mitotica viene effettuata con la metà del contenuto di CENP-A per centromero.

Dopo la fine della mitosi,

nella fase G1 delle cellule

figlie, sono ripristinati i

valori originali di CENP-A.

L’incorporazione di nuovi

CENP-A è un meccanismo

strettamente controllato da

fattori quali le chinasi cicline

dipendenti (CDK1 e PLK1),

dalla trascrizione del DNA

centromerico (cenRNA),

dalla presenza della rete

CCAN (in particolare di

CENP-C), dalla presenza

dello chaperone HJURP, dal

complesso Mis18. Quindi

l’incorporazione di CENP-A

all’interno del centromero Figura 2 CENP-A e replicazione del DNA.

avviene nella G1 del ciclo

cellulare successivo ed è

strettamente regolata al che la deregolazione di questo meccanismo provoca la formazione di centromeri che

non dovrebbero esistere, dett