Genetica umana

Genetica delle popolazioni

Introduzione

La genetica è una disciplina che studia la modalità di trasmissione dei caratteri ereditari da una generazione all’altra e le variazioni dei geni che determinano le caratteristiche fisiche ereditarie dell’uomo e di ogni essere vivente.

Geni e alleli

I geni sono responsabili dei caratteri ereditari e si trovano sui cromosomi. Ciascun gene occupa nel cromosoma una specifica posizione detta locus. Ne consegue che i vari geni sono disposti lungo i cromosomi secondo un ordine lineare ben preciso, caratteristico per ogni specie. Un gene è costituito da una sequenza di DNA che codifica una specifica proteina.

I geni determinano le caratteristiche fisiche ereditarie di uomo, animali, piante e ogni essere vivente. Poiché possediamo 2 copie di ciascun cromosoma, possediamo anche 2 copie di ciascun gene, una copia ereditata dal padre e una copia dalla madre. Le differenti caratteristiche che può assumere lo stesso gene si chiamano alleli.

Tutti gli individui possiedono una coppia di alleli per ogni carattere ereditario: quando la coppia responsabile di un carattere è formata da alleli identici, quel carattere è detto omozigote. Quando la coppia è formata da alleli diversi, il carattere è eterozigote. Una coppia di alleli è definita eterozigote quando possiede un allele con caratteristica dominante e un allele recessivo. Se per una determinata caratteristica genetica sono presenti 2 alleli diversi (eterozigote): uno dominante e uno recessivo significa che si manifesterà solo l’allele dominante, mentre quello recessivo non si manifesta (rimane nascosto).

Per convenzione, un allele dominante è indicato con la lettera MAIUSCOLA (A, B, C…), mentre il corrispondente allele recessivo è identificato dalla stessa lettera minuscola (a, b, c…).

Genotipo e fenotipo

L’insieme dei geni di un individuo è detto genotipo, quindi il genotipo è tutto quello che si trova nei cromosomi. Invece, l’insieme dei caratteri di un individuo è detto fenotipo, quindi il fenotipo è tutto ciò che possiamo osservare di un individuo come: altezza, colore degli occhi…

Definizioni

• Gene: segmento di DNA che codifica per una proteina o per uno specifico RNA
• Allele: forma alternativa di un gene ad uno specifico locus genico
• Locus: localizzazione su un cromosoma di un gene o di una specifica sequenza di DNA
• Omozigote: individuo che possiede 2 alleli identici ad un determinato locus
• Eterozigote: individuo che possiede 2 alleli diversi (uno dominante e uno recessivo) ad uno determinato locus
• Emizigote: individuo che possiede una sola copia di un gene o di una sequenza di DNA (maschi sono emizigoti per il cromosoma X)

Mutazioni

Una mutazione è un evento casuale che produce un cambiamento del patrimonio genetico ed è ereditabile quando avviene nei gameti. I cambiamenti della struttura del genoma che causano una variazione del genotipo possono essere: genomiche, cromosomiche e geniche.

Le mutazioni possono essere causate da:

• Errori durante la duplicazione del DNA (meiosi e mitosi)
• Esposizione delle cellule ad agenti fisici o chimici (agenti mutageni)

Errori durante la duplicazione del DNA

Mutazioni spontanee:

• Duplicazione: 2 miliardi di coppie di basi devono essere replicate ad ogni divisione cellulare, in un periodo di 2-3 ore con una velocità di circa 100 000 bp/sec. Avvengono casualmente degli errori.
• Ricombinazione: processo fondamentale per generare “diversità biologica”, a causa della struttura di particolari regioni genomiche, è un’altra fonte di possibili errori.
• Segregazione: processo finale della mitosi e della meiosi. Avvengono casualmente degli errori che portano ad una errata riparazione dei cromosomi nelle cellule figlie.

Esposizione delle cellule ad agenti fisici o chimici

Tutto ciò che aumenta la probabilità di modificazione sostanziale del patrimonio genetico → Agente mutageno

• Mutageni fisici: onde elettromagnetiche (raggi α, β, γ, X, UV, radiazioni nel visibile, IR…)
• Effetto raggi UV: 2 basi di timina successive si legano tra loro causando errori in lettura di quel tratto di DNA con comparsa di melanomi, se non corretto dagli enzimi che controllano il DNA
• Mutageni chimici: molte sostanze naturali (catrame, sali inorganici, sostanze vegetali) e di sintesi (coloranti, plastiche…)

Mutazioni genomiche e cromosomiche

Le mutazioni genomiche e cromosomiche sono dei cambiamenti che producono un’alterazione visibile dei cromosomi e possono essere:

• Alterazioni del numero: poliploidie e aneuploidie (monosomie, trisomie). Le poliploidie sono determinate da un numero alterato di tutti i cromosomi e ciò avviene quando, ad esempio, non si verifica la seconda divisione meiotica e vengono prodotti gameti diploidi (2n) che se fecondati produrranno uno zigote triploide (3n). Le aneuploidie sono condizioni in cui i gameti presentano uno o più cromosomi in più o in meno rispetto al corredo cromosomico normale.
• Alterazioni della struttura: inversioni, delezioni, duplicazioni e traslocazioni. La citogenetica si occupa dell’analisi dei cromosomi riguardo a: numero, morfologia e struttura.

Cromosomi: 46 molecole di DNA duplicate e spiralizzate visibili durante la divisione cellulare (metafase) → numero caratteristico per ogni specie, lunghezza e morfologia definite, bandeggio caratteristico con sostante coloranti

Cromatina: contenuto granulare del nucleo (DNA e proteine) → Eterocromatina (elementi ripetitivi), eucromatina (sequenze trascritte)

Alterazioni del numero

Le anomalie cromosomiche si originano da eventi di non-disgiunzione meiotica. I gameti con 22 cromosomi vengono chiamati nullisomici. I gameti con 24 cromosomi sono detti disomici. La frequenza delle anomalie cromosomiche è:

• Direttamente correlata con l’età della madre
• Inversamente correlata con l’epoca gestazionale

La gravità delle anomalie cromosomiche è correlata al tipo di cromosoma e alla quantità di geni interessati; quanto più grave è lo sbilanciamento cromosomico tanto più precoce sarà l’interruzione di gravidanza.

Alterazioni della struttura

Le mutazioni cromosomiche dovute ad alterazioni della struttura dei cromosomi sono: inversioni, delezioni, duplicazioni e traslocazioni.

Malattie legate a delezioni

Esempi di patologie umane legate a delezioni cromosomiche sono:

• Delezioni sul cromosoma 5: sindrome del Cri-du-chat
• Delezione sul cromosoma 15: sindrome di Prader-Willi e sindrome di Angelman

Sindrome Cri-du-chat

• Pianto simile al miagolio di un gatto (laringe ipoplastica)
• Grave ritardo mentale e psicomotorio
• Microencefalia
• Ipertelorismo oculare, epicanto, micrognazia
• Malformazioni scheletriche
• Sopravvivenza media significativamente ridotta

È riconosciuta attraverso l’analisi del cariotipo perché uno dei due cromosomi 5 ha perso il tratto terminale del suo braccio corto.

Sindrome di Prader-Willi e sindrome di Angelman

Si identifica la sindrome di Angelman quando il cromosoma 15 materno non funziona correttamente, mentre esordisce una sindrome di Prader-Willi qualora il cromosoma 15 paterno non funzioni correttamente.

Malattie dovute a traslocazioni

Esempi di patologie legate a traslocazione cromosomica sono:

• Linfoma di Burkitt (t 8;14): Spostamento del proto-oncogene c-Myc dal cromosoma 8 al 14. Traslocazione di c-Myc nel locus della catena pesante delle immunoglobuline (IgH) sul cromosoma 14 → Conseguenze: iperproduzione della proteina c-Myc che causa la trasformazione neoplastica.
• Leucemia mieloide cronica (t 9;22): Traslocazione reciproca tra i cromosomi 9 e 22, con formazione del cosiddetto cromosoma Philadelphia (Ph). Sul cromosoma 22 si viene a creare un gene di fusione BCR-ABL che codifica per una proteina (tirosin-chinasi) che rende “immortali” i blasti ed è quindi importante sia nella patogenesi della CML sia nella sua espressione clinica.

Mutazioni geniche

Una mutazione genica è una variazione del DNA che altera un singolo gene, ciò porta alla formazione di nuovi alleli, che sono detti alleli mutanti (alleli malattia). Possono essere distinte in 2 categorie: mutazioni puntiformi e mutazioni per sequenze ripetute (mutazioni dinamiche). Le mutazioni geniche sono causate da errori nella duplicazione del DNA, da ricombinazione o da agenti mutageni.

L’informazione genetica di ogni individuo è contenuta nel suo DNA. Il DNA contiene le istruzioni biologiche per produrre le proteine: l’informazione genetica è scritta nei codoni (triplette di nucleotidi) che sono tradotti in sequenze di aa. Se le informazioni sul DNA cambiano per effetto di una mutazione, può cambiare o non funzionare la proteina corrispondente.

Mutazioni geniche puntiformi

La mutazione genica è un cambiamento della sequenza del DNA di uno o pochi nucleotidi. Sono dovute a:

• Sostituzioni nucleotidiche: mutazioni missenso, mutazioni nonsenso (stop), mutazioni silenti
• Inserzioni o delezioni di uno o pochi nucleotidi: slittamento della cornice di lettura (mutazione frameshift)

Mutazione missenso

La mutazione missenso è una mutazione genica, in cui la sostituzione di una base nucleotidica con un’altra base provoca il cambiamento del significato del codone. Ad esempio, se il codone AGC che codifica per l’aa serina diventa AGA, (sostituzione della C con A) questo codone cambia significato e specifica per la sintesi dell’aa arginina. Il cambiamento del nucleotide determina al momento della sintesi proteica, il cambiamento dell’aa. Conseguenza: la sostituzione dell’aa può determinare la perdita della funzione della proteina stessa e causare una malattia.

Anemia falciforme: mutazione missenso nel gene β-globina. L’acido glutammico in posizione 6 (carico negativamente) viene sostituito dalla valina (idrofobica) a causa della sostituzione del nucleotide adenina con timina: codone GAG (Glu) cambia in GTG (Val).

Mutazione nonsenso (stop)

La mutazione nonsenso è una mutazione genica di sostituzione di basi che può trasformare un codone che specifica per un aa in un codone nonsenso (segnale di stop). Conseguenza: la sintesi proteica termina precocemente in corrispondenza del codone nonsenso. Viene pertanto sintetizzata una proteina tronca che, nella maggior parte dei casi, non funziona.

Mutazione silente

La mutazione silente provoca un cambiamento nel codone, ma non comporta un cambiamento nell’aa, per questo è definita silente. Se il cambiamento del DNA cambia il codone CTA in CTG, la mutazione è silente perché entrambi i codoni codificano per lo stesso aa, la leucina. Poiché non cambia l’aa che viene inserito nella proteina, la mutazione silente non ha effetto.

Codice genetico

Il codice genetico è degenerato. Il codice genetico regola la trasmissione dell’informazione che avviene a partire dalla sequenza nucleotidica del DNA, che viene trascritta nell’RNA messaggero (mRNA) e poi tradotta nella sequenza di aa di una proteina. L’informazione genetica è scritta nei codoni (triplette di nucleotidi) che sono tradotti in sequenze di aa nelle proteine. È letto a triplette (codoni), senza sovrapposizioni e più codoni possono specificare lo stesso aa: il codice è degenerato.

Esiste un codone d’inizio ATG che codifica per la metionina ed esistono 3 codoni di stop: TAG, TGA e TAA. Inoltre il codice genetico è universale. Se le informazioni sul DNA cambiano per effetto di una mutazione, cambiano le informazioni nelle proteine.

Mutazione frameshift

La mutazione frameshift prevede l’inserzione o la delezione di basi che va ad alterare la cornice di lettura del messaggio genetico, che a valle della mutazione viene completamente scombinato. Conseguenza: proteina alterata, che di solito non funziona. Talvolta l’errore consiste nell’inserire una base in più nella sequenza del DNA. Altre volte durante la replicazione o durante la riparazione del DNA si ha la perdita di una base. In entrambi i casi, la lettura di tutta la sequenza che segue viene completamente alterata. Anche nelle mutazioni frameshift per delezione viene alterata la lettura di tutti i codoni successivi all’inserzione/delezione con conseguente cambiamento della proteina.

Genetica mendeliana

Gli esperimenti di Mendel stabilirono 3 principi che sono alla base della genetica:

• Alcuni alleli sono dominanti, altri recessivi → Prima legge di Mendel o legge della dominanza: incrociando tra loro 2 individui di linea pura che differiscono per un solo carattere si ottengono nella prima generazione filiale (F1) individui che manifestano il carattere dominante mentre quello recessivo rimane nascosto.
• Durante la formazione dei gameti, gli alleli segregano (si separano) l’uno dall’altro → Seconda legge di Mendel o legge della segregazione dei caratteri: incrociando tra loro 2 eterozigoti della F1, gli alleli che determinano il carattere si separano in gameti diversi.
• Geni indipendenti assortiscono indipendentemente → Terza legge o legge dell'indipendenza dei caratteri: le coppie di alleli di ciascun carattere si comportano indipendentemente le une dalle altre durante la formazione dei gameti.

Nella genetica umana non è possibile programmare gli incroci ed è per questo che la genetica mendeliana nell’uomo si studia attraverso l’analisi della trasmissione dei caratteri nelle famiglie, andando quindi a studiare l’albero genealogico. Per studiare gli alberi genealogici è necessario essere in grado di interpretarli:

• Generazioni: numeri romani (I, II, III…)
• Individui: numeri arabi (1, 2, 3…)

Il probando, cioè la persona da diagnosticare, si indica con la freccia.

Malattia autosomica dominante

Una malattia autosomica dominante è una malattia genetica causata dalla presenza di almeno un allele dominante per un gene difettoso, che si trova su un autosoma. Questo tipo di malattia è caratterizzato dal fatto che basta una singola copia dell'allele difettoso per far sì che la malattia si esprima. Indicando con “A” il gene alterato e con “a” i geni normali, la mamma che porta la malattia potrà produrre dei gameti che sono al 50% A e al 50% a, perciò avrà il 50% di probabilità di passare la malattia ai suoi figli.

Analizzando un esempio caratteristico di albero genealogico con le principali caratteristiche di trasmissione autosomica dominante notiamo che sono presenti 3 generazioni dove il papà ha un gene malato, infatti è indicato con Aa. I genitori fanno 4 figli, 2 maschi e 2 femmine, in questo caso la seconda generazione è caratterizzata da: una figlia malata, una figlia sana, un figlio sano e un figlio malato. La femmina malata poi si sposa e fa 2 figli: una femmina sana e un maschio malato. Il maschio malato si sposa e fa 3 figli: 2 femmine malate e un maschio malato.

Possiamo quindi affermare che:

• La malattia si manifesta anche negli eterozigoti
• Una persona malata ha almeno 1 genitore malato
• Sono colpiti entrambi i sessi (maschi e femmine in ugual proporzione)
• È trasmesso da entrambi i sessi
• Il figlio di un affetto ha il 50% di probabilità di essere affetto
• La malattia si presenta in tutte le generazioni

Esempi di malattie autosomiche dominanti:

• Acondroplasia o nanismo
• Ipercolesterolemia familiare
• Sindrome di Marfan

Ereditarietà Autosomica dominante

Frequenza: 1 su 5.000-10.000 nati vivi

Descrizione: Difetti a carico di: scheletro, cuore e occhi

Cause e localizzazione: Alterazione del tessuto connettivo a causa di mutazioni del gene del gene fibrillina 1 (FBN 1) sul cromosoma 15q21.1

I pazienti con sindrome di Marfan tendono ad essere alti, hanno spesso dita lunghe e affusolate ed articolazioni lasse, eccessivamente mobili. La gravità delle manifestazioni cliniche (espressività) varia da caso a caso: alcuni pazienti presentano sintomi lievi, altri possono avere disturbi più importanti che necessitano di monitoraggio periodico e di eventuale trattamento.

Malattia autosomica recessiva

Una malattia monogenica si dice a trasmissione ereditaria autosomica recessiva quando il gene coinvolto è localizzato su un cromosoma autosomico e il carattere patologico si manifesta solo se entrambi gli alleli del gene (carattere recessivo) sono alterati. Gli individui affetti nascono dall’unione tra 2 genitori portatori (eterozigoti) sani. In questo caso l’allele A è normale, mentre l’allele a presenta la mutazione.

Analizzando un esempio caratteristico di albero genealogico di un carattere autosomico recessivo osserviamo che entrambi i genitori sono portatori sani. Questi fanno 3 figli: una femmina malata, un maschio sano e un maschio sano portatore perché è eterozigote. Il maschio sano eterozigote si sposa con una femmina eterozigote e fa 3 figli: una femmina sana, un maschio malato e un maschio sano.

Possiamo quindi affermare che:

• Gli affetti sono generalmente figli di «non affetti» (portatori)
• I genitori degli affetti sono portatori asintomatici
• Sono colpiti entrambi i sessi
• È trasmesso da entrambi i sessi
• Dopo la nascita di un affetto, i figli successivi hanno la stessa probabilità del 25% di essere affetti
• La malattia non si presenta in tutte le generazioni: c’è salto generazionale

Esempi di malattie autosomiche recessive:

• Albinismo (oculo-cutaneo)
• Mutazioni nel gene della β globina e β Talassemia Major o morbo di Cooley