Genetica 2

EREDITA’ MITOCONDRIALE

Genoma mitocondriale umano:

1981 pubblicazione sequenza genoma mitocondriale.

Unico tipo di DNA circolare a doppia elica lungo 16.6 Kb con una % di GC pari al 44%.

Le due eliche hanno una diversa composizione in G e C: l’elica pesante (H, heavy) è ricca in G,

mentre quella leggera (L, light) è ricca in C.

Le cellule contengono migliaia di molecole di mtDNA e il numero può variare considerevolmente

in tipi cellulari diversi; il numero di mitocondri è variabile (dipende dalla cellula).

Le dimensioni del mtDNA sono molto variabili→ vertebrati 16kb, lievito 80kb, piante 100kb-2Mb.

Il mtDNA contiene 37 geni: 28 codificati dall’elica H e 9 da quella .

La trascrizione dei geni mitocondriali inizia da promotori comuni presenti nella regione CR/D-loop

e produce grandi trascritti multigenici. Gli RNA maturi sono poi prodotti mediante il taglio dei

trascritti multigenici→ promotori comuni regolano l’espressione di un gruppo di geni, grandi

trascritti (simile a batteri).

24 geni mitocondriali producono RNA non codificanti funzionali: 22 tRNA, 16S rRNA e 12S

rRNA.

I 13 geni rimanenti codificano per polipeptidi che formano parte dei complessi della catena

respiratoria.

La traduzione del mitocondrio mostra un codice genetico alternativo→ 60 codoni che specificano

aa e 4 codoni di STOP al posto che 3.

Caratteristiche importanti del genoma mitocondriale:

Il 66% del DNA mitocondriale è codificante proteine.

Il mtDNA si replica in modo indipendente dal DNA nucleare, durante tutte le fasi del ciclo cellulare.

I mitocondri segregano nelle cellule figlie indipendentemente dai cromosomi nucleari (segregazione

replicativa).

Il contenuto di mtDNA può essere diverso nei diversi tessuti in funzione della diversa dipendenza

dalla fosforilazione ossidativa (vedi cervello, muscoli scheletrici, cuore).

Il DNA mitocondriale è caratterizzato da elevato tasso di mutazione:

- Il DNA mitocondriale muta ad un tasso che è circa 20 volte più elevata rispetto a quello del

DNA nucleare

- Esposizione a molecole reattive dell’ossigeno (ROS reactive oxigen species)

- Assenza di proteine istoniche

→Aumento

- Numerosi cicli replicativi errori replicazione

- Scarso sistema di riparazione del DNA

- Assenza di ricombinazione

Caratteristiche dell’eredità mitocondriale:

- Gli spermatozoi non contribuiscono con i loro mitocondri al patrimonio dello zigote

- Le patologie codificate da geni mitocondriali hanno due caratteristiche peculiari: l’eredità

matrilineare e, con una certa frequenza, l’eteroplasmia

- Quindi, una patologia ereditata per via mitocondriale si esprime in ambo i sessi, ma viene

trasmessa solo da madri affette Sembrerebbe essere una ereditarietà di tipo

autosomico (recessivo o dominante?) dato

che un genitore affetto può avere figli

malati di entrambi i sessi, ma ad un’analisi

più attenta si nota come i maschi non

trasmettono mai il carattere.

Si nota la penetranza molto

incompleta→nonostante ogni figlio di una

madre affetta erediti dei mitocondri

mutanti attraverso la cellula uovo, solo

alcuni dei figli mostrano degli effetti

clinici.

Una delle possibili cause è un’eteroplasmia

variabile.

Tutti gli individui affetti hanno un antenato femmina affetto.

Omoplasmia e eteroplasmia:

In condizioni normali il mtDNA è omoplasmico ma molte mutazioni patogeniche sono

eteroplasmiche (due o più tipi di mtDNA).

In condizioni di eteroplasmia, il mutation load (% di mitocondri con la mutazione) determina il

fenotipo clinico (effetto soglia)→ solo sopra una certa percentuale compare la patologia.

Questo spiega il perché in una famiglia quando ci sono malattie mitocondriali non tutti la

manifestano e anche i sintomi possono essere differenti.

Un collo di bottiglia mitocondriale durante la gametogenesi è responsabile dell’eteroplasmia

variabile→ analizziamo come vengono distribuiti i mitocondri durante la gametogenesi.

Una cellula eteroplasmica possiede due varietà distinte di DNA nei suoi organelli, gli organelli

segregano in modo casuale durante la divisione cellulare, si riproducono e segregano di nuovo

casualmente per diverse volte→ gran parte delle cellule è eteroplasmica anche se casualmente

alcune possono ricevere un solo tipo di organello.

Durante la gametogenesi c’è una variabilità di trasmissione dei mitocondri con mutazione e

wildtype.

Una piccola quantità di mitocondri della madre, randomici, passa in ogni cellula uova; qua avviene

il collo di bottiglia perché si può avere una percentuale diversa tra madre e figli di mutanti rispetto a

wild type.

Esempi di malattie genetiche mitocondriali:

Le malattie mitocondriali si manifestano in quei distretti dell’organismo in cui è richiesta una più

alta produzione di energia: sistema nervoso, muscolo, occhi, fegato, e hanno un’elevata variabilità

clinica anche all’interno della stessa famiglia→ Deficit energetico

→

Esempio: MERRF Encefalomiopatia mitocondriale caratterizzata da crisi epilettiche

miocloniche.

Mioclonia→ improvvisa contrazione di un gruppo di muscoli che causa un movimento spasmodico.

Fibre rosse sfilacciate: cellule muscolari con un anello di materiale a colorazione rossa circondante

la periferia (mitocondri dall’aspetto anormale).

Altri fenotipi: atassia, spasticità, demenza, sordità neurosensoriale e atrofia ottica.

La patogenesi della malattia può essere vista come un diffuso deficit della produzione di energia nei

mitocondri.

I tessuti più sensibili al danneggiamento della funzione mitocondriale sono i tessuti aerobi (es.

neuroni e cellule muscolari).

Deficit dell’attivita’ dei complessi I e IV nella MERRF.

Difetti genetici: Mutazioni nel gene MT-ND5; Transizione A→G in posizione 8344 nel tRNA per la

lisina in 3 soggetti affetti da MERRF

Oltre il 90% delle proteine mitocondriali sono codificate da geni nucleari: Componenti strutturali

della catena respiratoria; Proteine che controllano la fosforilazione ossidativa; Proteine

indirettamente correlate alla fosforilazione ossidativa→ queste hanno eredità mendeliana perché

vengono da geni nucleari.

Eredità materna:

Eredità materna→ i maschi affetti non trasmettono il carattere a nessuno dei figli; le gemmine

affette lo trasmettono a tutti i figli.

L’eredità materna può essere eteroplasmica e dare quindi diversi fenotipi nei figli.

Il rapporto maschio/femmina tra gli affetti è pari a 1:1, ma tutti hanno ricevuto il carattere dalla

madre.

Le femmine affette trasmettono il carattere a tutti i figli, maschi e femmine.

I maschi affetti non trasmettono mai la malattia.

Esempio: Quali di essi è compatibile

con un tipo di eredità

citoplasmatica?

Soltanto l’albero A, perché tutti i discendenti della femmina I2 risultano affetti, indipendentemente

dal loro sesso. Se l’individuo affetto è il padre, e non la madre, non viene colpito nessun

discendente.

Si può affermare che il profilo A sia effettivamente un profilo di eredità citoplasmatica→ No,

corrisponde ad un profilo di eredità citoplasmatica, ma risulta compatibile anche con un tipo di

eredità autosomica, sia dominante che recessiva.

Per quale motivo (o motivi) gli altri non corrispondono a tale profilo di eredità→B: La femmina II4

dovrebbe essere colpita. C: Le femmine II7 e II8 non dovrebbero essere colpite, visto che la loro

madre non lo è. D: Gli individui II2 e II4 dovrebbero essere affetti, mentre la femmina III2 non

dovrebbe esserlo.

EPIGENETICA (approfondimento)

Esistono molteplici livelli di regolazione dell’espressione genica negli eucarioti, uno dei principali è

la regolazione della cromatina.

Eucromatina: trascrizione potenziale, geni housekeeping e tessuto specifici.

Eterocromatina facoltativa: inattiva quando condensata ma può essere anche espressa.

Eterocromativa costitutiva: regioni che non vengono mai espresse come le centromeriche e le

telomeriche.

La conformazione della cromatina in modo più o meno compatto è dovuta a modificazioni

epigenetiche→ caratteristiche del DNA che non riguardano la frequenza in sé ma che non

riguardano la sequenza del DNA ma delle modifiche aggiunte.

Le modifiche più comuni sono: metilazione del DNA (in particolare a livello della citosina associata

alla guanina→ isole CpG); modificazione degli istoni (post-traduzionali; acetilazioni, fosforilazioni

e metilazioni. La più importante è l’acetilazione).

Quando le proteine basiche degli istoni sono acetilate la cromatina è attiva mentre la metilazione è

associata a cromatina inattiva→ Un DNA metilato è un’indicazione per una cromatina non attiva

mentre un istone con una lisina acetilata è indice di una cromatina attiva.

Invece la metilazione degli istoni porta all’inattivazione della cromatina→ l’unica modificazione

che porta all’attivazione è l’acetilazione.

La presenza di DNA metilato richiama delle deacetilasi che tolgono l’acetilazione agli istoni e

richiamano anche delle metilasi che metilano gli istoni

Repressori e attivatori possono dirigere l’acetilazione/deacetilazione degli istoni a livello di

specifici geni.

IMPRINTING GENOMICO

Nella maggior parte dei geni sia l’allele materno che quello paterno vengono espressi.

L’espressione di alcuni geni (o alleli) nucleari mostrano un’espressione non omogenea tra quelli

paterni e materni ma la loro espressione dipende da quali genitori ha dato l’allele alla progenie;

differenza se l’eredità è paterna o materna→ imprinting genomico.

Geni non soggetti a imprinting→ espressi indifferentamente nei cromosomi paterni e materni.

Geni paternally expressd→ silenziati quelli sull’allele materno e espressi quelli sull’allele paterno

Geni maternally expressd→ silenziati quelli sull’allele paterno e espressi quelli sull’allele materno.

Non si tratta di geni dei cromosomi sessuali.

Scoperta:

Trapianto del nucleo in topi→ rimozione del nucleo da oociti di topo fertilizzati (dipolide) e

sostituzione del nucleo con 2 nuclei aploidi derivanti o da oociti o da spermatociti.

In entrambi i casi non si sviluppavano.

Se i due nuclei invece provengono uno materno o uno paterno allora l’embrione era vitale→

L’embrione poteva sopravvivere solo se cromosomi provenivano metà da oocita e metà da

spermatocita.

Acquisizione e cancellazione dell’imprinting durante lo sviluppo dei mammiferi:

L’imprinting è acquisito dai gameti→ ovociti e spermatozoi portano