Genetica medica

Genetica medica

Carotipo e sindromi cromosomiche

L'informazione genetica

Prima di Mendel si pensava che le caratteristiche dei genitori si mescolassero nei figli. Nel 1839, Sheleiden e Schwann introdussero il concetto di cellula come unità vivente fondamentale. Dal 1860 al 1868 si scoprì che la trasmissione ereditaria avviene attraverso gli spermatozoi e gli ovociti e che, molto probabilmente, risiedeva nel nucleo. Dal 1882-1903 si studiò la trasmissione genetica e si capì che la chiave dell'ereditarietà sono i cromosomi.

Il genoma umano è apolide ed è formato da 23 coppie di cromosomi. Si definisce aneuploidia un numero di cromosomi NON pari a un multiplo esatto di 23. Di norma si determina un fenotipo patologico tutte le volte in cui ogni singola regione cromosomica di un autosoma non sia presente in duplice copia. Gli autosomi sono le prime 22 coppie di cromosomi, mentre la 23 coppia è quella determinata dai gameti ed è chiamata somatica. Il fenotipo è la manifestazione di una caratteristica descritta nei cromosomi. Il fenotipo patologico è una mutazione sulla manifestazione della caratteristica.

I cromosomi

Il DNA di una cellula umana è un filo lungo circa 2 metri, ma il nucleo della cellula ha un diametro di soli 5 micron. Il DNA, quindi, si avvolge attorno a delle proteine specifiche chiamate istoni. Gli istoni sono proteine fondamentali conservate nel corso dell'evoluzione, infatti qualsiasi variazione nella sua trascrizione è incompatibile con la vita. Sono proteine basiche che costituiscono la componente strutturale della cromatina. Risultano essere le più abbondanti proteine della cromatina andando a costituirne l'80-90% circa. Sono tipiche degli organismi eucarioti, nonostante alcuni tipi di cellule eucariotiche ne siano sprovviste, e sono assenti nei procarioti.

Sono proteine basiche cariche positivamente, poiché posseggono un gran numero (circa 20%) di amminoacidi con catena laterale basica, in particolare lisina e arginina. Esistono cinque tipi di istoni: H1, H2A, H2B, H3 e H4. Ciascun istone dell'ottamero presenta poi una lunga coda N-terminale.

Gli istoni H2A, H2B, H3 e H4 si autoaggregano, formando un ottamero chiamato ottamero istonico, intorno al quale il DNA si avvolge in modo sinistrorso per 1,67 giri, interagendo con gli istoni mediante interazioni non covalenti (es. legame a idrogeno). Il complesso formato da DNA più ottamero istonico è detto nucleosoma: 1,67 giri di elica sinistrorsa corrispondono a circa 200bp, di cui 150bp sono strettamente legate all'ottamero istonico mentre le restanti 50bp, distribuite in due pezzi da 25bp, si trovano legate ad H1, l'istone linker.

H1, infatti, riconosce una particolare sequenza interposta sul DNA linker e un'altra che si trova sull'ottamero e contemporaneamente li lega causandone un avvicinamento. Inoltre, grazie alle code presenti su entrambi i lati, l'istone H1 interagisce con gli istoni H1 dei nucleosomi vicini, avvicinandoli e perciò compattando la cromatina.

L'assemblaggio degli istoni a formare il nucleosoma è di tipo autoaggregativo e si verifica solo se è presente anche il DNA, in caso contrario le proteine istoniche non si aggregano. Il processo di formazione del nucleosoma prevede i seguenti passaggi:

• Formazione di un tetramero composto da H3 e H4 (due per ciascuno);
• Il tetramero lega nel solco minore una zona ricca di AT del genoma eucariotico e lo ripiega;
• Si forma un dimero H2A-H2B che lega il DNA e il tetramero precedente;
• H1 riconosce il DNA linker e ne causa l'avvicinamento all'ottamero istonico.

La cellula compatta il suo DNA solo durante il processo di mitosi e meiosi. È in questa fase della vita cellulare che si può analizzare il cariotipo dell'individuo. Il cariotipo è lo studio del genoma di un individuo. L'uomo possiede 23 coppie di cromosomi, compresi quelli sessuali; nella femmina i due cromosomi sessuali sono X e X, mentre nel maschio sono X e Y.

La citogenetica fino al 1953

Von Winiwarter pubblicò nel 1912 un memoriale che divenne un riferimento. Egli stimò che ci fossero 47 cromosomi negli uomini e 48 nelle donne. Nel 1921, Painter asserì che ci sono 48 cromosomi nell'uomo con i cromosomi sessuali XX o XY. Nel 1956 Joe Hin Tjio e Albert Levan confermarono che i cromosomi umani sono 46.

Al termine del Congresso internazionale di genetica, in Montreal, nel mese di agosto 1958, Jérôme Lejeune annunciò la presenza di un cromosoma supplementare nella sindrome di Down a Clark Fraser e a molti altri genetisti della McGill University. Il suo annuncio fu ascoltato con interesse, ma anche con scetticismo. Nel 1959 venne confermato che un numero aberrante di cromosomi causa patologie.

La struttura dei cromosomi

I cromosomi variano per dimensioni e per morfologia. La morfologia viene definita dalla posizione del centromero, che per convenzione divide il cromosoma in un braccio corto, denominato p, e in un braccio lungo, denominato q. I cromosomi si dicono metacentrici quando il rapporto tra la lunghezza del braccio corto e quella del braccio lungo è all'incirca 1 (il centromero è proporzionato al centro del cromosoma); si dicono submetacentrici quando la lunghezza delle braccia lunghe è superiore a quella delle braccia corte (il centromero è posizionato a breve distanza dal centro del cromosoma); si dicono acrocentrici quando il centromero si trova ad un'estremità del cromosoma.

Il cromosoma presenta due strutture fondamentali per la sua stabilità: il centromero e il telomero. Il centromero lega i microtubuli del fuso durante la divisione cellulare ed è responsabile della corretta segregazione mitotica e meiotica dei cromosomi. È costituito da DNA satellite di tipo a, cioè da blocchi di DNA altamente ripetitivo la cui sequenze, ripetute in tandem, sono spesso cromosoma-specifiche. Il telomero protegge le estremità dei cromosomi dalla degradazione e dalla fusione coda-coda, e assicura un ancoraggio alla DNA polimerasi per la duplicazione delle sequenze di DNA più terminali. I telomeri sono costituiti da code ripetute di 6 paia di basi (bp), TTAGGG.

Tecniche di bendaggio cromosomico

Studiando i cromosomi si scoprì che era possibile colorarli andando ad evidenziare delle bande (bandeggio) che restano caratteristici per il singolo cromosoma. Questo portò ad evidenziare le patologie legate alle mutazioni. Quando i cromosomi sono sottoposti a determinate tecniche di bendaggio, come il bendaggio G o il bendaggio R, avviene una denaturazione lungo il loro asse, che determina, dopo la colorazione con Giemsa, un'alternanza di bande chiare e scure. Il pattern di alternanza di tali bande è ricorrente ed è specifico di ogni cromosoma, in quanto riflette la concentrazione relativa, che è regione-specifica, di AT o CG.

A seconda delle sostanze utilizzate vengono evidenziate bande diverse:

• Bande Q, ottenute con mostarda di Quinacrina e osservate in fluorescenza;
• Bande C, rilevate con una soluzione di Urea riscaldate a 87°C;
• Bande G, ottenute colorando con Giemsa;
• Bande R, sono esattamente l'inverso delle bande Q e si ottengono per denaturazione termica.

I cromosomi vengono numerati in base alle dimensioni. Per denominarle si scrive prima il numero di cromosoma, poi il braccio e poi il numero di banda. A partire dal centromero le bande vengono numerate. Le bande a loro volta hanno delle sottobande anch'esse numerate. Per fare il cariotipo i cromosomi dopo essere compattati vengono numerati e disposti. Si dispongono in base alle dimensioni per gli autosomi, da più piccolo al più grande, alla fine vengono messi i cromosomi sessuali.

Anomalie di numero e di struttura

Le anomalie possono essere di numero e di struttura. Le anomalie di numero dipendono dal numero dei cromosomi, le anomalie di struttura dipendono dalla struttura dei singoli cromosomi ma il loro numero non è alterato. I cariotipi possono essere descritti usando un sistema stenografato di simboli, la nomenclatura di Parigi, ordinati nel modo seguente: numero totale di cromosomi, composizione dei cromosomi sessuali e una descrizione di ciascuna anomalia. Ad esempio la sindrome di Down viene solitamente scritta: 47, XX (oppure XY), +21.

Anomalie di numero

Le anomalie di numero sono: la poliploidia, la monotonia, la trissomia e la tetrasomia.

Poliploidia

Si dice poliploide un organismo che presenta un numero di cromosomi 3 o 4 volte il corredo cromosomico apolide, è incompatibile con la vita. Un corredo cromosomico triploide è la causa del 15% degli aborti spontanei. Un corredo cromosomico tetraploide si presenta nel 6% dei casi di aborto. Il rischio di ricorrenza, sia per la triploidia che per la tetraploidia, è praticamente nullo.

Trisomie autosomiche

La trisomia è la presenza di un cromosoma in più in una coppia di omologhi. Le trisomie autosomiche generalmente sono incompatibili con la vita; le uniche che arrivano alla nascita sono quella del 21, del 18 e del 13.

Trisomia del 21 - Sindrome di Down

La trisomia del 21 è clinicamente associata alla sindrome di Down. È il disordine cromosomico più frequente in quanto è quella meno grave, inoltre è la causa genetica più comune di disabilità intellettiva. L'incidenza media è di 1/750 nati vivi, tuttavia essa varia in rapporto all'età materna, da 1/1.500-1.800 a 25 anni, a 1/100 a 40 anni, fino a 1/15 a 45 anni. La causa più frequente è la non-disgiunzione del cromosoma 21 durante la meiosi materna. Un cariotipo a 47 cromosomi con trisomia 21 libera si osserva nel 95% circa delle persone Down. In questi casi l'evento va considerato sporadico, e il rischio di ricorrenza familiare è basso.

Nel circa 4% dei casi la trisomia 21 non è libera ma è associata a una traslocazione robertsoniana sbilanciata tra un cromosoma 21 e un altro cromosoma acrocentrico, che col più delle volte è il cromosoma 14. Anche la trisomia 21, al pari della maggior parte delle sindromi cromosomiche, è soggetta a una forte selezione in utero tramite aborto spontaneo. Infatti, solo il 20% dei concepiti con trisomia 21 arriva a termine di gravidanza con nascita di un neonato vivo.

I segni clinici più significativi della sindrome di Down includono ipotonia, presente fin dalla nascita, un aspetto peculiare del capo e del volto, con brachicefalia, viso rotondeggiante, obliquità verso l'alto delle rime palpebrali, epicanto, naso piccolo con ipoplasia del dorso e narici antiverse, lingua grossa e tendente alla protrusione, padiglioni auricolari piccoli e accartocciati, ipoplasia del segmento medio del viso. Le caratteristiche facciali, insieme all'ipotonia, permettono in gene l'accertamento diagnostico già dalla nascita. Le mani sono usualmente piccole con dita brevi e clinodattilia del V dito, ed è spesso presente una linea palmare traversa unica.

Circa il 50% delle persone Down ha una cardiopatia congenita. La presenza di una cardiopatia condiziona la prognosi sia nei confronti della sopravvivenza sia nei confronti della qualità di vita, anche se la prognosi dipende comunque dal tipo e dalla gravità della cardiopatia. Il deficit cognitivo è costante, ma è di grado variabile. Va sottolineato che le persone con sindrome di Down rispondono bene al trattamento psicoattitudinale, possono raggiungere notevoli gradi di autonomia e anche un inserimento lavorativo.

Trisomia del cromosoma 18 - Sindrome di Edwards

La trisomia del 18 è clinicamente associata alla sindrome di Edwards. Ha un'incidenza di circa 1/7.000 nati vivi e interessa più spesso soggetti di sesso femminile. Patogeneticamente origina da una non-disgiunzione meiotica ed è quindi correlata a età materna relativamente avanzata.

I segni clinici specifici includono un marcato ritardo di crescita, microcefalia e con dolicocefalia, un aspetto peculiare del volto, che è minuto, con naso sottile, microretrognazia, orecchie a basso impianto e con padiglioni a punta. È tipico un atteggiamento delle mani strette a pugno, con accavallamento del II dito sul III e del V sul IV, e una conformazione del piede “a piccozza”, con calcagno prominente e atteggiamento talo-verticale. Molto frequenti sono le malformazioni congenite, soprattutto cardiovascolari, ma anche scheletriche, gastrointestinali e renali. Il ritardo psicomotorio è molto grave, e la mortalità è del 90% entro il primo anno di vita. I soggetti a più lunga sopravvivenza sono generalmente mosaici con cellule normali. Anche la trisomia 18 subisce una forte selezione negativa in utero; infatti il 95% degli embrioni trisomici viene abortito precocemente. Originando da un evento causale di non-disgiunzione meiotica, il rischio di ricorrenza familiare per trisomia 18 è trascurabile, con un piccolo incremento per i genitori del soggetto affetto, verosimilmente legato a mosaicismo germinale.

Trisomia del cromosoma 13 - Sindrome di Patau

La trisomia 13 è clinicamente associata alla sindrome di Patau. È una condizione molto grave, con alta selezione negativa prenatale. L'incidenza tra i nati vivi è di circa 1/10.000. È peculiare di questa condizione il pattern di crescita, che alla nascita è più spesso normale o relativamente in eccesso, anche se sono documentati casi con importante ritardo di crescita.

I segni clinici distintivi includono labiopalatoschisi, oloprosencefalia (assente o parziale separazione degli emisferi cerebrali), polidattilia e microftalmi, oltre che anomalie dei padiglioni auricolari e anomalie scheletriche. Frequenti sono le malformazioni degli organi interni, a carico di cuore, rene e intestino. Il ritardo psicomotorio è molto grave, sono frequenti le crisi convulsive e la sopravvivenza è in genere limitata al primo anno di vita. La maggior parte dei casi di sindrome di Patau ha un cariotipo a 47 cromosomi per trisomia 13 libera. Anche in questo caso la sindrome è correlata all'età materna avanzata e il rischio di ricorrenza familiare è basso. Nel circa il 10% dei casi, invece, la trisomia 13 è associata a traslocazione robertsoniana t(13;14). La traslocazione può essere de novo, oppure ereditata da uno dei genitori.

Anomalie di struttura

Le anomalie cromosomiche di struttura possono essere bilanciate o sbilanciate. Le anomalie bilanciate includono le traslocazioni reciproche, le traslocazioni robertsoniane, le inversioni pericentriche e paracentriche e le inserzioni. Nella maggior parte dei casi sono innocue per il soggetto portatore. Le anomalie sbilanciate sono rappresentate da: delezioni parziali, duplicazioni parziali e i cromosomi ad anello (ring), prodotti dalla circolarizzazione di un cromosoma, con frequente perdita delle regioni terminali.

Traslocazioni bilanciate

Nelle traslocazioni bilanciate due cromosomi si scambiano un pezzo. È compatibile con la vita e, a volte, neanche si manifesta. I gameti anomali generati a causa della traslocazione generano aborti spontanei. In caso di aborto ricorrente, è opportuno eseguire un'analisi del cariotipo in entrambi i genitori. Se la causa di aborto ricorrente risulta essere una traslocazione bilanciata, la possibilità di partorire un neonato vivo e normale è generalmente superiore rispetto a quella da altre cause di aborto ricorrente, come per esempio cause immunologiche di rigetto del prodotto del concepimento. È consigliabile non ostacolare con interventi medici la tendenza naturale all'aborto spontaneo nel primo trimestre, almeno finché non sia stata accertata la normalità del cariotipo fetale. Previa consulenza genetica, è opportuno proporre l'accertamento del cariotipo nei consanguinei dell'individuo in cui sia stata diagnosticata una traslocazione bilanciata. La frequenza delle traslocazioni reciproche è circa 1/1.000 nella popolazione generale e 3-5% nelle coppie con aborto ricorrente.

Traslocazioni Robertsoniane

Per traslocazione robertsoniana si intende la fusione, a livello del centromero, di cromosomi acrocentrici. A ciò consegue la formazione di un unico cromosoma formato dalle braccia lunghe, complete, dei due acrocentrici, con centromero comune e perdita delle braccia corte. In presenza di traslocazione robertsoniana il numero cromosomico si riduce dunque apparentemente di una unità. La traslocazione robertsoniana t(13;14)(q10;q10) è la traslocazione bilanciata più frequente nella popolazione generale. Innocua per il soggetto portatore, esse implica il rischio di concepire zigoti con trisomia 13. Le traslocazioni robertsoniane bilanciate possono causare oligospermia nel maschio. Si riscontrano infatti nell'1,6% dei maschi oligospermatici, contro lo 0.1% della popolazione generale.

Anomalie sbilanciate

Delezioni parziali

Le delezioni cromosomiche parziali possono essere terminali o interstiziali. Sono osservabili praticamente in tutti i cromosomi. L'estensione del segmento deleto è variabile, e il fenotipo clinico associato varia in relazione all'estensione della delezione. Le alterazioni fenotipiche sono causate dalla delezione di gruppi di geni contigui. L'esame cromosomico convenzionale ha validità diagnostica solo fino al limite di risoluzione di questa tecnica, che è di circa 5-8Mb. Per la diagnosi di delezioni di grandezza inferiore si rendono necessarie tecniche di citogenetica molecolare. Il meccanismo patogenetico che determina le anomalie fenotipiche è l'aploinsufficienza. I trascritti dei geni inclusi nell'intervallo di delezione sono mediamente ridotti della metà rispetto alla norma. La maggior parte delle delezioni parziali del braccio corto del cromosoma 5 è associata alla sindrome cri du chat, appellativo che deriva dal tipico ti...