Appunti di genetica umana, Prof.ssa Tupler

APPUNTI

GENETICA UMANA

BIOTECNOLOGIE MEDICHE

UNIMORE 1

Genetica umana e medica

Prof.ssa Tupler

che discende dai nostri avi e che è stato tramandato.

Segregare=qualcosa

La genetica studia la trasmissibilità dei caratteri nell’uomo e il loro effetto sul fenotipo. Questo

implica un lavoro molto grande, perché studiare la trasmissibilità significa studiare delle famiglie.

un solo cromosoma circolare;

Batteri: →

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cromosomi lineari, ricombinazione e segregazione indipendente (2 possibilità) quindi

Uomo:

sistema più complesso.

È evidente quanto Mendel faccia fatica ad essere utilizzato nell’uomo perché il suo fenotipo è

influenzato dal background genetico e dall’ambiente. Ognuno di noi e le nostre funzioni sono il

risultato della variabilità del background genetico (genotipo).

insieme di tutte le caratteristiche osservabili di un organismo vivente, quindi la sua

Fenotipo:

morfologia, il suo sviluppo, le sue proprietà biofisiche e fisiologiche comprensive del comportamento

→ fenotipo cellulare, proteine, ecc.

la costituzione genetica di un individuo o di un organismo vivente.

Genotipo:

4 elementi importanti introduce il concetto di cambiamento.

1. Pensiero evoluzionista: →

La grande catena degli esseri (John Ray, 1690) getta le basi della tassonomia; viene prima di

Linneo. “Lotta per l’esistenza”.

Robert Malthus (1789): economista, ha scritto Introduce lo studio di

popolazioni: quando si ha un aumento dei beni a disposizione di una popolazione, questa cresce e va

è d’accordo sul fatto che vi

incontro ad una crisi. NON sia sempre una crescita esponenziale; le risorse

possono essere usate per migliorare lo stile di vita della popolazione, ma NON il suo aumento.

Wallace (1858): introduce il concetto di selezione naturale.

(1859, L’origine delle

Darwin specie): tutti gli organismi discendono da antenati comuni che vengono

Le modifiche dipendono principalmente dall’azione della selezione naturale, da pressioni,

modificati.

su una variabilità preesistente.

Dati 2 individui (X e Y) della stessa specie:

• mortalità differenziale: se X vive più a lungo fa più figli

fertilità differenziale: se l’individuo X fa più figli, è più fertile

•

Il contesto ecologico del cambiamento evolutivo: distribuzione spaziale delle risorse, distribuzione

della popolazione, tasso di crescita della popolazione, parassitismo, commensalismo,...

Esiste una variabilità che è, almeno in parte, ereditaria.

Nel contesto ambientale in cui si trovano, individui diversi hanno fertilità o mortalità diverse (esempio

falene bianche e nere: quelle nere hanno diminuito la loro mortalità e aumentato la fertilità durante la

rivoluzione industriale, a causa dell’ambiente). Questo influenza quindi le frequenze con cui si

Se una

trovano determinati individui rispetto ad altri, o determinate varianti rispetto ad altre.

variante è molto frequente, a volte dà un vantaggio. Data una popolazione molto grande è possibile

studiare la variabilità.

è il punto di partenza per ogni analisi genetica o evoluzionistica.

2. Variabilità:

Dà vantaggi alla specie che deve sopravvivere ad una crisi, NON al singolo individuo.

Studio di mutazioni e ricombinazioni: ognuno di noi porta almeno 500 nuove mutazioni, di cui solo

abbiamo sistemi che rispondono

1% cade in geni codificanti. Noi siamo il risultato dell’evoluzione,

ai nuovi cambiamenti. Carestie, siccità, malattie infettive. L’evoluzione ha fatto sì che il nostro corpo

2

fosse in grado di accumulare riserve e risorse di cibo: oggi, che abbiamo a disposizione molto cibo,

l’obesità è in aumento. →

La variabilità si basa sui polimorfismi: il DNA tra gli individui è diverso un certo carattere, o un

complesso di caratteri, è variabile (polimorfico) nei diversi individui. La variabilità fenotipica ha basi

l’albinismo, c’è un gene/proteina a monte del fenotipo.

molecolari. per quanto riguarda

Esempio:

Dobbiamo cercare di capire quali sono le basi molecolari (geni e modificazioni del genoma) che

condizionano questa variabilità tra individui.

Si possono guardare i mutanti per comprendere via via i geni coinvolti affinché compaia una specifica

→

caratteristica/malattia. glicolisi studiata a partire da disturbi metabolici date persone

Esempio:

malate, prelevati dei fibroblasti e guardati gli intermedi che si accumulano, possiamo capire quali

sono i fattori coinvolti.

3. Eredità

• Genitori e figli si assomigliano

• Individui imparentati si assomigliano

• Individui di popolazioni vicine si assomigliano

• Individui di specie affini si assomigliano (capiamo alcuni geni che hanno portato un

determinato carattere o comportamento).

solo parentali influenzano il pool genetico, ovvero l’insieme delle

Le vicinanze geografiche e NON

variabili che possiamo trovare in un individuo di una determinata area. La gente fa figli con altre

persone e questo influisce sulla variabilità. falciforme.

in Sardegna è frequente l’anemia

Esempio:

Gli individui si possono assomigliare perché hanno in comune fattori ereditari perché hanno in

comune tratti di DNA.

4. Genetica

Quali sono le basi molecolari dell’ereditarietà? → →

Dogma centrale della biologia: DNA RNA PROTEINA (fenotipo)

→ →

Replicazione trascrizione traduzione

Maturazione dell’mRNA: date delle mutazioni nella sequenza di splicing, il trascritto cambia. Date

delle varianti che cambiano la coda poliA, l’mRNA può modificare la propria stabilità e la proteina

essere prodotta in minore o maggiore quantità.

Splicing alternativi: un gene può determinare la sintesi di tante proteine funzionalmente simili o

diverse (isoforme proteiche). Lo splicing alternativo può generare migliaia di mRNA da un singolo

trascritto primario: il numero di proteine prodotte NON dipende solamente dal numero di geni, ma

anche da meccanismi quali lo splicing.

delle variabili di un individuo

Genotipo=insieme del genoma dove si trovano gli elementi importante per una certa funzione

Locus genico=regione

2 per uno stesso locus, uno dal padre e uno della madre

Alleli= 3

Libro di testo consigliato: Tom Strachan Andrew Read. (5ed).

Human molecular genitics,

Concetti generali di base:

• (definizione e struttura)

Gene eucariotico

• del DNA

Trascrizione

• e modifiche post-trascrizionali (ad esempio splicing alternativo). Lo splicing dà

Maturazione

variabilità di isoforme (la proteina è la stessa, ma con caratteristiche fisico-chimiche

leggermente diverse). Un esempio sono le diverse troponine nei diversi muscoli. Lo splicing

alternativo può dare addirittura proteine diverse.

• Una mutazione su AUG (sito inizio trascrizione) e UGG (trp) determina

Codice genetico.

problemi a livello della trascrizione e della sequenza amminoacidica. Per essi esiste un solo

codone.

• malattia causata da una o più anomalie del genotipo, quali

Definizione di malattia genetica:

mutazioni dei geni o alterazioni dei cromosomi le quali sono in grado di dare origine ad una

o più patologie. Sebbene ad ogni generazione i processi di variabilità genetica, compresi i

fenomeni di Crossing-over e di regolazione epigenetica, rimaneggino costantemente

l'informazione presente nel nucleo delle cellule, solo poche varianti si traducono in uno stato

definito di malattia.

Una condizione morbosa osservata deve essere associata a un carattere trasmissibile tramite

all’ambiente.

una raccolta di evidenze che vadano a escludere parametri legati, ad esempio,

Una malattia genetica è una malattia che può essere prevista accuratamente nel decorso

conoscendo le informazioni presenti nel DNA. Deve esserci la certezza assoluta della presenza

della malattia perché la diagnosi presenta numerose complicanze etiche e morali che

prevedono drastici cambiamenti nello stile di vita (variazioni nello stile, programmazione del

→

futuro, possibilità di procreare o meno dilemmi etici).

(1); mutazioni “out (2) (fuori

• inserzioni e delezioni of frame” dalla

Mutazioni del DNA:

cornice di lettura) che provoca un trascritto NON funzionante o portato a immediata

→

degradazione; mutazioni puntiformi (3): cambio del codice (1 amminoacido) possono

essere siNONime, neutre o di variante. se è presente almeno nell’1% della

Per convenzione, una variazione è detta polimorfismo

popolazione. Trovare delle varianti NON è siNONimo di malattia. Le varianti possono essere

di natura molto eterogenea (sito splicing, SNPs), ma NON è detto che siano direttamente

responsabili della malattia.

- innanzitutto, se è possibile si fa una quantificazione della

Mutazione in eterozigosi:

proteina con Western blot. Inoltre si possono analizzare e quantificare i trascritti tramite

si esegue un’analisi genetica per

PCR. Dopo di chè, determinare se la mutazione è genica

oppure se è correlata a un altro meccanismo di regolazione.

- delezione o inserzione di tre nucleotidi, quindi NON si ha scorrimento

Mutazioni in frame:

A volte possono essere molto gravi. Vedi nella CF ΔF508 che causa una

della lettura.

delezione di tre NT e dunque della fenilalanina nella sequenza del canale cloro.

- causa una perdita di funzione; basta un allele sano per avere un

Mutazione recessiva:

fenotipo WT.

- Anche stesse mutazioni, ma in siti diversi di una molecola, portano

Sito di mutazione.

risultati diversi. Mutazioni in siti catalitici o domini di legame importanti hanno

conseguenze più dirette e con implicazioni più evidenti, mentre mutazioni in altri siti NON

necessariamente provocano alterazioni fenotipiche.

Il fenotipo è influenzato da fattori genetici, ma anche epigenetici ed ambientali.

le macromolecole si distinguono per una diversa

Fenotipo molecolare di una macromolecola:

modifica, diversa corsa elettroforetica proteica o diversa funzione. 4

➢ Esempio 1: nelle vie del segnale sono spesso coinvolte delle chinasi che fosforilano aa quali tyr,

se su questi amminoacidi (aa) c’è una mutazione

ser, thr; NON può esserci fosforilazione, di

conseguenza la molecola assume un diverso fenotipo proteico/molecolare (che viene analizzato

→

mediante immunoblotting, corsa su gel, mancanza di funzione il fenotipo molecolare indica

ciò che accade nel DNA).

➢ Esempio 2: quali sono le mutazioni genetiche che danno fenotipi proteici di membrana

importanti? Il sistema antigenico HLA è codificato da geni altamente polimorfici che fanno sì che

diverso da quella di un’altra persona: la cellula riconosce il self

la cellula di una persona sia molto

→

dal NON-self questa è genetica e dipende dal fenotipo.

➢ Esempio 3: le staminali si presentano diverse dai fibroblasti (più rotondeggianti e con poco

citoplasma per via dei geni della staminalità accesi e dei geni del differenziamento spenti).

Le caratteristiche fenotipiche (ad esempio morfologia cellulare), infatti, possono essere collegate

Quindi una certa morfologia (fenotipo

a precisi difetti molecolari e mutazioni geniche.

è determinata dal genotipo e dall’organizzazione epigenetica.

molecolare)

Nelle malattie è possibile costruire Se il gene alterato in una malattia regola

categorie fenotipiche.

altri geni, anche la risposta a questo difetto cambia in relazione alle sequenze di questi altri geni. In

medicina si può Le persone condividono la stessa

raccogliere in modo dettagliato il fenotipo.

mutazione, ma presentano fenotipi diversi. Studiando in modo sistematico il fenotipo si possono

acquisire info utili in medicina.

➢ Esempio: la fibrosi cistica è una patologia autosomica recessiva (portatori 1:20) che dà vari e

diversi problemi legati a difetti nelle secrezioni. I pazienti sviluppano in modo diverso e più o

meno grave i vari sintomi: un gruppo di pazienti è particolarmente sensibile ad infezioni da

e studiandone il genoma sono stati identificati gli elementi genetici che

Pseudomonas aerugonosa

determinano quel fenotipo, identificando un sottogruppo che viene trattato in modo diverso dagli

altri.

La genetica medica si occupa dell’associazione genotipo-fenotipo per lo studio delle malattie umane

Con metodi statistici si deve dimostrare che l’associazione NON è casuale.

su base ereditaria.

Oggi esistono strumenti tali da far fronte a molte malattie: si possono usare le informazioni per

collegarle tra loro prevedendo il fenotipo di persone con determinate mutazioni.

“Quasi tutti gli stati patologici dell’uomo sono riconducibili a disturbi e difetti delle attività cellulari

e molecolari”.

Lo stato di salute è il risultato dell’azione di molecole che agiscono nelle cellule che, a loro volta,

compongono i tessuti i quali svolgono determinate funzioni.

in vitro o in vivo su altri animali all’uomo.

passare da uno studio

Medicina traslazionale: Sono animali singenici, tutti uguali, perché frutto di una

Qual è il problema del modello animale?

serie di incroci fatti tra parenti, quindi la variabilità del genotipo del topo è ridotta. Inoltre l’ambiente

in cui l’animale vive è molto controllato. Traslando i risultati sull’uomo, si deve tenere conto di 2

elementi: ognuno ha un genotipo indipendente ed è esposto ad ambienti estremamente variabili.

Quello che si osserva sull’animale è un fenotipo, correlato ad un genotipo. Il background genetico

nell’espressione del fenotipo è fondamentale. Parlando di genetica umana, si deve sempre tenere

conto di questo dato.

carattere che si vede in maniera evidente (ad esempio colore del seme, rugosità,

Tratto dicotomico:

ecc); diversi sono la lunghezza dello stelo o il peso del seme che hanno una distribuzione normale.

Sempre nel 1800, Darwin viaggiando raccoglieva fossili e informazioni dimostrando che le specie

Golton studiava invece l’eredità dei tratti

possono essere molto simili e lievemente variabili.

complessi poligenici.

In genetica, ciò che si vede è il fenotipo, ma ciò che si vede deve essere associato ad un tratto

molecolare. 5

malattia trasmissibile legata a delle mutazioni nel DNA; sono quindi variazioni

Malattia genetica:

della sequenza.

NON tutti i tratti danno necessariamente malattia, ma possono essere fattori predisponenti: nel proprio

DNA possono esserci elementi che interferiscono sul fenotipo. →

concetto che considera la distribuzione di un tratto NON dicotomico insieme di

Ereditabilità:

varianze legate a fattori diversi; è utilizzato in agraria o nell’allevamento animale.

Noi guardiamo il fenotipo, che è tutto quello che si può osservare. Esso è dato da una serie di elementi:

• Epigenetica: controllo trascrizionale dato da fattori epigenetici che controllano la struttura

cromatinica;

• Genotipo;

• Fattori ambientali.

Esiste una variabilità soggettiva legata alle singole cellule. In questi studi, per sapere quanto il

background genetico influenzi il fenotipo, si comparano i fenotipi di gemelli. Per avere una statistica

che consideri la variabilità individuale dei campioni è necessario aumentare il numero dei campioni.

Cosa intendiamo per fenotipo:

• Carattere osservabile

Può cambiare in relazione all’ambiente

• l’HLA serve al SI per riconoscere il

Concetto di NON-self; esso è il risultato

evoluzione del sistema:

di numero duplicazioni e mutazioni che conferiscono una grande flessibilità ai geni e alle proteine

codificate da questi geni. Ruolo della genetica medica in laboratorio

Il test genetico si può utilizzare quando tutto il resto è già stato provato.

• Prevenire o evitare lo stato di malattia. Screening finalizzati ad individuare individui a rischio:

anni fa, ai tempi della migrazione dal sud al nord Italia, vennero fatti test su bambini che

β-talassemico.

potevano essere portatori del tratto

• Miglioramento della diagnosi: ad esempio, esistono diversi tipi di atrofia spinocerebellare con

mutazioni su geni diversi; oggi se ne conoscono 45 diverse. La diagnosi fatta su un individuo

può essere utile per identificare la patologia anche in altri individui.

• Consulenza e diagnosi prenatale.

• Terapia genica: si ingegnerizza il DNA per compensare il difetto; ad esempio, se la proteina

NON è prodotta si infetta con un virus che porta il gene che determina la produzione di quella

proteina mancante.

Attraverso lo studio dei mutanti si cercano di studiare le vie molecolari che determinano un fenotipo;

i vantaggi sono che si può agire per intervenire/curare e se si trova un gene di interesse medico (di

cui NON necessariamente si conosce esattamente la funzione) lo si può studiare in laboratorio.

Ruolo della genetica medica nella ricerca

• Definire il ruolo dei caratteri geneticamente trasmissibili nel contributo allo stato di malattia

• Chiarire le componenti genetiche alla base della risposta ai farmaci (buona o cattiva risposta,

studio dell’isoforma di

→

effetti collaterali ad esempio CYP450 deputato al metabolismo di

molte sostanze)

• Costruzione di network molecolari che contribuiscono ad una certa funzione cellulare.

È sempre fondamentale il disegno sperimentale, che deve tenere conto di tutti i possibili fattori.

➢ →

Esempio: anemia di Fanconi per uno stesso fenotipo esistono diversi difetti genetici.

Se fondo 2 cellule di 2 pazienti diversi ottenendo un eterokaryon, può succedere che trattando con

depossibutano:

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