Basi cellulari e genetiche della medicina - BCGGM

Genetica 4-12-2013

Genoma → insieme del patrimonio genetico di un individuo → contenuto nel DNA.

Scoperte

• 1869: Mischer isola il DNA in laboratorio.
• 1952: Asbury tramite diffrazione a raggi X riesce a evidenziare il DNA.
• Franklin, premio Nobel mancato, riesce a mettere a fuoco il DNA con rifrazione X.
• 1953 → si scopre che i geni sono fatti di DNA.
• 1953: Watson e Crick, DNA doppia elica di basi.
• 1955: Konberg isola la DNA polimerasi III.
• 1965: Si scopre che i cromosomi umani sono 46 → si riesce per la prima volta a isolare una piastra metafasica.
• 1956: Si scopre quale alterazione provoca l'anemia falciforme (mutazione genica puntiforme o monogenica).
• 1959: Individuazione del cariotipo della sindrome di Down → mutazione cromosomica, trisomia 21 di Le Jeune.
• 1961: Scoperto il meccanismo di trascrizione e traduzione degli RNA messaggeri.
• 1961: Primo screening metabolico a neonati per individuare la PKU, fenilchetonuria → se individuata si prosegue con una dieta povera di fenilalanina. (Carenza di enzima fenilalanina idrossilasi).
• 1966: Definito il codice genetico.
• 1968: Scoperti enzimi di restrizione → taglio di DNA in sequenze specifiche.
• 1970: Prima diagnosi prenatale del cariotipo del feto per sindrome di Down → tramite amniocentesi.
• 1972 → primo DNA ricombinante.
• 1975: Sequenziamento del DNA.
• 1980 → prima insulina biosintetica prodotta da Escherichia coli con DNA ricombinante e tecniche di ingegneria genetica.
• 1983: Mappato il primo gene Corea di Huntington sul cromosoma umano.
• 1983: Invenzione di PCR, Polymerase Chain Reaction, a opera di Kary Mullis.
• 1990: Progetto genoma umano.
• 1990: Inizio di primi esperimenti su terapia genica.
• 1994: Organismi vegetali, pomodori, transgenici.
• 1998: Allargamento del progetto genoma umano a iniziative private.
• 2000: Dati pubblici sul genoma.

DNA → nucleosoma 11 nm → cromatina 30 nm → superavvolgimenti → cromosoma.

Quanti geni nel genoma umano?

• 25.000 geni.
• 1,5% sono codificanti, producono mRNA che vengono tradotti.
• 3,5% sono contenente RNA, producono RNA di regolazione.
• Il resto introni, non codificanti → vi sono segmenti intronici molto conservati tra l'uomo e il topo, pertanto non sono inutili e avranno qualche funzione se hanno resistito all'evoluzione.

È importante sottolineare che la complessità di un organismo non dipende dalla dimensione del proprio genoma o dal numero di geni → vi sono organismi poco complessi con genomi enormi.

Attualmente si può avere un sequenziamento personale del genoma proprio, con costi in continua riduzione e sempre inferiori.

Malattie geniche

• Monogeniche o puntiformi → dovute alla mutazione di un singolo gene.
• Cromosomiche → dovute all'alterazione di un assetto cromosomico o un cromosoma intero.
• Multifattoriali → dovute a interazioni tra geni + ambienti → in questo caso i geni non sono mutati ma sono solo leggermente diversi in certi punti, fenomeno chiamato polimorfismo genico.

L'età di comparsa può essere estremamente variabile → il fatto che una malattia sia genetica non vuol dire che sia contemporaneamente congenita, può insorgere in futuro, ad esempio Corea di Huntington.

18-12-2013 Giachino: polimorfismo

Si ha polimorfismo quando la variazione genica supera l'1% → è diverso da mutazione in quanto ha frequenza maggiore di 1% → spesso è dovuto alla modificazione di un singolo nucleotide, puntiforme.

Nel genoma si identificano alcuni siti polimorfici fissi che, come bandierine, marcano il DNA di ciascun individuo.

SNP, polimorfismi di un singolo nucleotide → sono i più diffusi.

Esempio: 96% normale, 4% polimorfica → possono essere in eterozigosi, un allele polimorfico e uno no, o omozigoti, entrambi polimorfici.

Raramente gli SNP sono causa diretta di patologie → molto più spesso sono elementi predisponenti per alcune malattie complesse o multifattoriali.

→ Causano condizioni che predispongono alla malattia.

→ Solitamente sono neutrali.

Quando sono dannosi causano:

• Stop.
• Perdita di stop.
• Frame shift.
• Delezioni.
• Perdita di siti splicing.

La parte variabile del patrimonio genetico da individuo a individuo è circa dello 0,1%; in comune abbiamo il 99,9%.

Variazioni in ordine di numerosità

• SNP → più diffusi.
• Piccole delezioni.
• SNR microsatelliti.
• Geni ripetuti in copie diverse da individuo a individuo.
• Grandi inversioni.

Geograficamente la frequenza di alcuni alleli cambia in modo importante.

Mutazioni

Sono essenziali e necessarie all'evoluzione per consentire la selezione naturale.

Se avvengono nelle cellule della linea germinale sono trasmissibili, ereditarie.

Se avvengono nella linea somatica causano patologie ma non ereditarie.

Malattie monogeniche o mendeliane

Conosciamo circa 2800 malattie monogeniche. Di circa 1800 invece conosciamo il locus ma non l'esatto gene che la comporta.

Mendel

Si basa su 5 osservazioni:

• Esistono i geni.
• I geni sono in coppie, alleli.
• Gli alleli segregano nei gameti.
• Gli alleli segregano in gameti in modo indipendente.
• La fecondazione è casuale.

Leggi di Mendel

• Segregazione: i due alleli segregano nella meiosi in gameti diversi.
• Uniformità della prima generazione ibrida: rapporti matematici.
• Assortimento indipendente: RrRr x RrRr, due doppi eterozigoti, le coppie alleliche si assortiscono indipendentemente → vale solo se non sono geni associati, ovvero linked sullo stesso cromosoma.

Solitamente il DNA con una mutazione viene trascritto e tradotto → difficilmente la mutazione avviene in siti a funzione regolatoria come promotori → in tal caso si ha una variazione nell'espressione del gene o una non trascrizione.

Terminologia

• Locus: posizione di un gene sul cromosoma.
• Alleli: forme alternative dello stesso gene.
• Omozigote: 2 alleli uguali.
• Eterozigote: 1 allele di un tipo, uno di un altro.
• Eterozigoti composti: 2 alleli mutati ma diversi fra loro.

Esempio:

Gene per la beta-globina.

6 codone.

• Allele 1: GAG, acido glutammico, alfa.
• Allele 2: GTG, valina → anemia falciforme.
• Allele 3: AAG, lisina → gene cristallino.

Portatore sano Rr.

Probando: individuo punto di partenza sul quale si effettua l'analisi.

Genotipo: patrimonio genetico organismo.

Fenotipo: manifestazione in caratteristiche del patrimonio genetico.

• Allele dominante: si manifesta in eterozigosi.
• Allele recessivo: si manifesta in omozigosi.
• Codominanza: si manifestano entrambi gli alleli → esempio gruppi sanguigni.

Mutazioni puntiformi

Interessano un singolo nucleotide o poche coppie; in taluni casi si possono classificare secondo logica funzionale o strutturale.

Funzionali

Allele:

• Equivalente → si crea un allele che non causa modificazioni nel fenotipo.
• Ipomorfo → si crea un allele che attenua la risposta funzionale della proteina. Generalmente sono recessivi e non si manifestano se non in omozigosi.
• In casi di emizigosi → patologie X linked maschili, si può manifestare ad esempio con patologie attenuate → distrofia di Bever.
• Amorfo: si crea un allele non funzionante e che causa una perdita della funzione genica, come se ci fosse una delezione ma senza causarla direttamente. Solitamente sono recessivi e si manifestano solo in omozigosi oppure negli eterozigoti aploinfficienti.
• Ipermorfo: si crea un aumento spropositato della funzione genica, solitamente dominanti.
• Neomorfo → si crea un nuovo allele con nuova funzionalità non prevista.
• Antimorfo → si crea un allele che crea un prodotto genico antagonista che agisce in complessi multimerici proteici, trimeri, dimeri eccetera.

Strutturali

• Sostituzione → mutazione silente, missenso, non senso, perdita di stop.
• Inserzioni o delezioni → frameshift.
• Riarrangiamenti.
• Amplificazioni CNV → copies numeric variation.

La mutazione più comune è quella da citosina → timina, C-T → più comune.

Favorita dal fatto che la citosina ha una tendenza alla metilazione e viene deamminata → trasformandosi in timina.

Sindrome di Apert

→ Puntiforme, gene FGFR2.

Causa: mutazione puntiforme di FGFR2 → codifica per un recettore di crescita dei fibroblasti → è una mutazione ex novo che non hanno i genitori → mutazione spontanea a livello di cellule germinali.

Sintomi: polidattilia, ritardo mentale, cranio enorme → è collegata a altre 2 forme alleliche alla sindrome di Pfeiffer, sempre su FGFR2.

22-1-2014

Molto spesso una mutazione missenso non è causa di patologia.

Sindrome di Apert

Sinostosi primordiale cranica, sindattilia, ipoplasia centro cranico.

• Gene: FGFR2, mutazione missenso.
• Cromosoma: 10.
• Mutazione ex novo.
• Cisteina → glicina.
• Allelica con sindrome di Pfeiffer e Cruson.

Sindrome di Pfeiffert

• Gene: FGFR2.
• Posizione: 342.
• Cromosoma: 10.
• Cisteina → arginina.

Sindrome di Cruson

→ Cranio alterato, protusione dei bulbi oculari innaturale.

• Gene: FGFR2.
• Posizione: 342.
• Cromosoma: 10.
• Cisteina → tirosina.

Acondroplasia

Arti corti, abbozzo cranico irregolare, altezza media 130 cm maschi, 125 cm femmine.

• Gene: recettore FGFR3 per FGF, fattore di crescita dei fibroblasti.
• Posizione: 380.
• Cromosoma: 4.
• Autosomica dominante.
• Penetranza completa → se presente alterazione genotipica si manifesta sempre.

→ Con mutazione FGFR3 è sempre attivo, pertanto manda sempre segnale che fa rallentare la crescita delle cartilagini → alterazioni del connettivo.

→ È un allele ipermorfo, ovvero un allele troppo funzionante, in modo anomalo, che è patogenetico.

Gli FGF sono circa 9 e hanno 4 tipi di recettori FGFR → ognuno può legare uno o più FGF.

L'insorgenza di questa patologia autosomica dominante aumenta con l'aumentare dell'età paterna perché aumenta anche il numero di divisioni cromosomiche dei gameti paterni.

Ipocondroplasia

→ Forma meno grave della acondroplasia, spesso presenta altezza quasi nella norma e non viene diagnosticata.

Mutazioni non senso

→ Generano codoni di stop TAA, TAG, TGA.

Frameshift

→ Sfasamento della cornice per inserzione di un non multiplo di 3 numero di triplette → può generare codone di stop TAA, TAG, TGA.

Sindrome di Wandemburg

→ Causata o da una non senso o da un frameshift che genera codone di stop.

• Gene: PAX3.
• Autosomica dominante.
• Penetranza incompleta → non sempre si esplica nel fenotipo se è presente l'alterazione genotipica.
• Espressività variabile → può esprimersi in diverse forme fenotipiche.

Disordini di pigmentazione, sordità, anomalia dei tessuti relativi e derivanti dalla cresta neurale. Lateralizzazione dell'asse di simmetria. Eterocromia ottica tipicamente marrone azzurro.

PAX3 controlla cresta neurale e migrazione dei melanociti → anomalie di cresta neurale e tessuti da essa derivanti → problemi alla pigmentazione e all'udito.

Mutazioni siti splicing

Mutazione che avviene a livello di siti di splicing.

→ Può causare:

• Perdita di esoni.
• Riarrangiamento casuale di esoni che non dovrebbero stare vicini.

Spesso dovuta a inserzione di sequenze G-T → avviene molto spesso in regione +1 +2 e -1 -2 rispetto al gene.

Progeria

Si manifesta con invecchiamento precoce, calvizie, ictus, infarti, patologie tipiche dell'età avanzata → aspettativa di vita: 13 anni.

• Gene: per lamina A.
• Autosomica dominante.
• Ex novo → perché ovviamente, data l'aspettativa di vita, gli individui non si riproducono.
• Dovuta a introduzione di un sito di splicing G-T che causa la perdita di 50 amminoacidi della parte funzionale della proteina.

→ La lamina A si trova all'interno del nucleo → crea uno scheletro a 13 nm.

→ La progeria consiste in un'alterazione della lamina A → il nucleo appare globoso e innaturale.

Attualmente sono in studio terapie basate su inibitori di enzimi che potrebbero far riacquistare al nucleo forma normale → non si sa quanto siano efficaci per il regredire della patologia.