Genetica - Appunti

Il sistema ABO

È un carattere mendeliano semplice, monogenico, ovvero è sotto il controllo di un gene indicato con la lettera I. Il gene è presente con tre alleli: A; I– B I– 0 I–. La caratteristica per cui per un singolo gene sono presenti più di due alleli viene definita allelia multipla o polimorfismo. Nel singolo individuo possono essere presenti solo due alleli. Quindi, il fatto che un gene sia polimorfico lo possiamo constatare se lo analizziamo nella popolazione, non nel singolo individuo. A 0 I è dominante su I B 0 I è dominante su I A. I B e I A sono codominanti, se compresenti si manifestano entrambi. 0 I è recessivo, per manifestarsi deve essere presente in omozigosi.

Genotipi e fenotipi possibili

Quali sono i genotipi possibili e i corrispondenti fenotipi? I fenotipi sono i gruppi sanguigno A, B, AB e 0. Il carattere preso in esame è il gruppo sanguigno.

Gli antigeni

Per il sistema AB0 possono essere presenti due antigeni A e B. Un antigene è solitamente una proteina, nel caso dell'uomo una proteina di superficie (esterna sulla membrana dei globuli rossi). Dal punto di vista funzionale è un marcatore del sé, un'impronta specifica dell'individuo, contribuisce a dare la specificità dell'individuo. Gli antigeni si differenziano di poco, hanno una parte cospicua in comune presente in tutti gli individui detta sostanza h = proteina sulla membrana esterna dei globuli rossi. A seconda che alla sostanza h sia aggiunto un diverso gruppo glucidico (zucchero) si forma l'antigene A o B.

• Se alla sostanza h si aggiunge la galattosammina → antigene A;
• Se alla sostanza h si aggiunge il galattosio → antigene B.

In ultima analisi quindi gli antigeni sono delle glicoproteine, cioè proteine a cui si lega un glucide. Chi è omozigote I I non ha né l'antigene A né l'antigene B, alla sostanza h non si aggiunge alcun zucchero.

Codifica degli antigeni

La credenza ingenua è che poiché i geni e gli alleli codificano per le proteine l'allele I codifica per l'antigene, in realtà gli alleli I A e I B non codificano direttamente per l'antigene ma codificano per un enzima che permette che in I A si verifichi la reazione di legame tra la sostanza h e la galattosammina e in I B si verifichi il legame sostanza h galattosio. I due alleli non codificano l'antigene ma l'enzima che permette la reazione di legame della sostanza h con un glucide. Ricordiamo sempre che gli enzimi sono molecole proteiche funzionalmente specifiche, cioè intervengono solo in una determinata reazione. L'allele I 0 codifica per una forma enzimatica inattiva, perciò non interviene in nessuna delle due reazioni e quindi la persona genotipicamente omozigote recessiva non possiede nessuno dei due antigeni.

Gli anticorpi

Oltre agli antigeni, a seconda del genotipo, possono essere presenti o meno degli anticorpi, diversi a seconda del gruppo sanguigno. Gli anticorpi si trovano nel plasma, cioè nella parte liquida del sangue e sono delle proteine. Sono presenti gli anticorpi contro l'antigene che non è presente sui globuli rossi. La funzione degli anticorpi è quella di andare a legarsi al suo specifico antigene (specificità antigene-anticorpo). Qualora l'anticorpo specifico si vada a legare al suo antigene le conseguenze sono molto gravi. Questo legame infatti induce agglutinazione dei globuli rossi, cioè la formazione di coaguli che vanno a bloccare la circolazione sanguigna e induce l'emolisi, ovvero la rottura dei globuli rossi e il loro contenuto quindi va nel plasma. Queste due conseguenze possono essere letali, perciò nelle trasfusioni di sangue è di fondamentale importanza tenere presente il gruppo sanguigno donatore ricevente. AB viene detto ricevente universale poiché ha entrambi gli antigeni non ha nessuno degli anticorpi. Il gruppo 0 invece viene detto donatore universale perché gli eritrociti non hanno nessun antigene.

Il sistema Rh

È sotto il controllo del gene R che presenta due alleli R e r. Genotipi possibili: RR, Rr e rr → tre genotipi.

Fenotipi possibili

• Rh+: l'antigene Rh è presente sui globuli rossi;
• Rh-: assenza dell'antigene.

Rh+: non presenta l'anticorpo; Rh-: se l'anticorpo dell'individuo entra in contatto con l'antigene produce l'anticorpo, che non gli provoca alcun problema. Quando il sistema immunitario entra in contatto con un antigene produce un anticorpo specifico per eliminarlo. Questo anticorpo viene poi prodotto per sempre, in quanto mantiene memoria di aver incontrato precedentemente l'antigene. Questo provoca il fenomeno detto incompatibilità tra madre Rh- e figlio Rh+. Al primo figlio il problema non è così grave, in quanto è determinato dal fatto che la madre non possiede l'anticorpo. Tuttavia se il sistema immunitario materno entra in contatto con eritrociti del bambino il suo sistema produce l'anticorpo. Il problema si genera nel momento in cui l'anticorpo, attraverso la placenta, entra nel sistema sanguigno del feto producendo un effetto che si sintetizza nell'eritroblastosi fetale, che è potenzialmente letale. Nel caso del primo figlio gli eritrociti passano dal bambino alla madre ma solo in piccolissime quantità. Pertanto è vero che il sistema immunitario materno può essere attivato ma in modo blando. Tuttavia al momento del parto le quantità di eritrociti che entrano in contatto sono maggiori. Quindi in seguito a questo contatto nella circolazione sanguigna materna dopo il parto sono presenti anticorpi ANTI-Rh (che alla madre non creano alcun problema). Nel caso in cui la donna abbia un secondo figlio Rh+ gli anticorpi materni possono passare attraverso la placenta, rispetto agli eritrociti passano con molta più facilità perché, essendo proteine, sono molecole piccole. Per impedire l'eritroblastosi fetale del secondogenito bisogna impedire che venga stimolato il sistema immunitario materno da parte degli antigeni Rh durante il parto del primogenito. Questo risultato si ottiene somministrando tempestivamente in modo esogeno anticorpi anti-Rh in modo che blocchino gli antigeni dei globuli rossi del feto prima che arrivino al sistema immunitario, attivandolo. Il fattore tempo è essenziale. Gli anticorpi somministrati per via esogena bloccano l'antigene però non resta più alcuna traccia di anticorpi nel circolo sanguigno materno, non c'è l'effetto memoria sul sistema immunitario perché l'anticorpo viene eliminato con l'antigene. Il secondogenito non incontrerà anticorpi che provengono dalla madre. Ovviamente questo intervento va effettuato per tutti i figli.

Diverse modalità di trasmissione dei geni nelle generazioni

Esistono tre tipi di modalità di trasmissione:

• Autosomica recessiva;
• Autosomica dominante;
• Associata al cromosoma X;

Ogni modalità ha le sue caratteristiche. Autosomica recessiva. Propria dei caratteri recessivi presenti sugli autosomi che, per manifestarsi, devono essere in omozigosi. Caratteristiche:

• I genitori dell'affetto sono entrambi portatori;
• L'affetto deve essere omozigote;
• Una copia di portatori ha una probabilità del 25% di avere un figlio affetto secondo la prima legge di Mendel;
• Il carattere viene trasmesso indipendentemente dal sesso.

La maggior parte delle malattie genetiche è autosomica recessiva, in quanto sono presenti tante generazioni silenti. Il portatore non manifesta la malattia ma presenta nel genotipo un allele per la stessa e può trasmettere l'allele al figlio non la malattia.

Malattie autosomiche recessive

Anemia falciforme

È la sola malattia genetica causata da un solo tipo di mutazione, puntiforme. Riguarda l'emoglobina, costituita da 4 catene unite insieme a 2 a 2 uguali (α e β). Ogni catena porta un gruppo non proteico detto gruppo EME, al centro del quale si trova un atomo di ferro che lega l'ossigeno. Questa struttura a tretramero è la più efficiente. La mutazione riguarda le molecole proteiche. Esistono 4 tipi di emoglobina (Hb):

• Hb_α2β2: principale Hb dell'adulto;
• Hb_α2δ2: forma minore di Hb dell'adulto;
• Hb_α2ε2: della vita embrionale;
• Hb_α2γ2: Hb della vita fetale;

Le prime due forme sono post natali. Nella prime fasi post natali, attraverso la graduale inattivazione dei geni che codificano per le catene γ e la contemporanea attivazione di quelli che codificano per le catene β, si ha il passaggio da γ a β. Non esiste un gene che codifica per l'emoglobina ma geni diversi che codificano per diversi tipi di catene. La mutazione più frequente nell'anemia falciforme è una mutazione per sostituzione all'interno di un codone (GAG) nel gene che codifica per le catene β, viene convertito nel codone GUG, che codifica invece per l'amminoacido valina. GAG (acido glutammico) → GUG (valina) nelle catene β, si trovano in una ben precisa posizione e questa sostituzione produce una cascata di eventi estremamente gravi. L'acido glutammico è un amminoacido idrofilico, la valina invece ha proprietà idrofobiche e quindi la sua presenza fa alterare la conformazione delle catene β e di conseguenza di tutta la molecola. Sostituzione → alterazione della conformazione molecolare → le molecole tendono ad aggregarsi nei globuli rossi → aggregati insolubili tendono a precipitare nel globulo rosso → alterazione morfologica dei globuli rossi da disco biconcavo a falce. I globuli rossi si deformano e vanno in emolisi e tendono a loro volta a formare dei trombi. L'emoglobina così alterata non svolge più la sua funzione di trasporto dell'ossigeno. L'organismo inoltre riconosce le cellule alterate e tende ad eliminarle e a costruirne di nuove. Si innesca così un circolo senza fine per cui i danni prodotti da questo meccanismo coinvolgono tutto l'organismo.

Genotipi e fenotipo

• β_S β_S: genotipo omozigote per l'anemia falciforme (figlio di due portatori);
• β_A β_S: genotipo dell'eterozigote portatore;

Hb_S è l'emoglobina dell'omozigote recessivo. L'eterozigote ha un fenotipo diverso rispetto a quello dell'omozigote dominante. I due alleli β_A e β_S si manifestano entrambi, poiché codominanti. Poiché i due alleli sono codominanti, l'Hb di β_A β_S è in parte normale e in parte è emoglobina β_S, cioè una forma caratteristica dell'affetto. Quindi una parte delle molecole ha le catene che portano la sostituzione che produce la malattia in omozigosi. Nella singola molecola di Hb le due catene devono essere dello stesso tipo, tutte e due con o senza sostituzione. Il fenotipo dell'eterozigote, del portatore fa riferimento al tipo di Hb che presenta, cioè presenta due tipi di Hb: “sana” e dell'affetto. Due individui portatori hanno la probabilità del 25% di avere un figlio ammalato.

Resistenza alla malaria

Nell'ambiente malarico il portatore è fra i tre genotipi quello favorito, in quanto l'eterozigote non ha meno probabilità di ammalarsi rispetto all'omozigote recessivo e a quello dominante. La zanzara della malattia trasmette il protozoo che si riproduce all'interno dei globuli rossi; quelli del portatore, poiché contengono una parte di Hb non rappresentano per l'agente patogeno un ambiente favorevole. L'espressione del genotipo è generalmente l'insieme del genotipo stesso e dell'ambiente. Se l'eterozigote viene tolto dall'ambiente malarico il suo svantaggio scompare. Le malattie genetiche, per ciò che riguarda la loro espressione, sono diverse da individuo a individuo. Vengono infatti definite sindromi, cioè insiemi di sintomi.

Diagnosi

Distinguiamo la diagnosi post-natale da quella pre-natale. Per la diagnosi post-natale si effettua un prelievo di sangue e si effettua l'analisi del DNA. Utilizziamo i globuli bianchi, i linfociti perché i globuli rossi sono sprovvisti di nucleo.

Analisi pre-natale

• Amniocentesi;
• Villocentesi;
• Raccolta di cellule fetali nel sangue materno.

Sono due modalità di prelievo non di analisi, sul materiale prelevato effettuiamo l'analisi.

Amniocentesi e villocentesi

Amniocentesi: si effettua più tardivamente perché la quantità di liquido amniotico presente prima della sedicesima settimana non è sufficiente per effettuare il prelievo senza produrre danni. Dal prelievo passa più tempo per ottenere i risultati, soprattutto se è necessario effettuare l'analisi del cariotipo. Le cellule nel liquido non sono in divisione, quindi poiché il cariotipo lo vediamo solo in metafase, bisogna indurre la mitosi e questo richiede del tempo in più. Villocentesi invece è la modalità di prelievo dei villi coriali, può essere effettuata tra l'ottava e la nona settimana. Il rischio è quello di provocare un aborto, tuttavia l'amniocentesi ha un rischio minore rispetto alla villocentesi. Le cellule dei villi sono già in mitosi, per questo i risultati sono più immediati. I villi coriali sono delle strutture che fanno parte del corion e hanno forma digitiforme. Il corion è una membrana che avvolge l'embrione e il feto, mentre l'amnios è una membrana più esterna che costituisce il sacco amniotico. L'amnios, il corion e i villi sono degli annessi embrionali, ovvero delle strutture che non sono costitutive dell'embrione ma che originano tutte dalla stessa cellula dell'embrione, ovvero dalla cellula diploide che si forma in seguito alla fecondazione. Quindi tutte le cellule, degli annessi e dell'embrione, hanno la stessa informazione genetica. È per questo che tramite la villocentesi siamo sicuri di avere informazioni sull'embrione, perché il genoma è comune. Con la villocentesi tuttavia si può incorrere più facilmente in falsi positivi, ovvero si possono trovare mutazioni, soprattutto aneuploidie, che non sono anche nell'embrione, cioè non si sono formate per mancata disgiunzione, ma sono causate dal fatto che le cellule dei villi si riproducono molto velocemente (infatti le troviamo già in mitosi). È bene quindi ripetere più volte l'analisi su cellule diverse dei villi. Infine la raccolta di cellule fetali nel sangue materno è una metodica non invasiva. Nel sangue materno troviamo delle cellule fetali. L'obiettivo è quello di trovare metodiche tali per cui si riesca ad ottenere quantità sufficienti di cellule per applicare test genetici sulle cellule trovate. In queste tre metodiche viene applicata la tecnologia del DNA ricombinante.

Trattamento

Si effettuano:

• Trasfusioni: portano a un danno, la siderosi. Nell'organismo si verifica un accumulo di ferro, in particolare nella milza perché questo è l'organo normalmente deputato alla distruzione dei globuli rossi che hanno terminato il loro ciclo vitale. Il ferro in grandi quantità non viene eliminato, perciò bisogna solubilizzarlo in modo che possa essere eliminato e ciò avviene tramite l'infusione continua di un agente chelante che lega il ferro, lo solubilizza e ne permette l'espulsione attraverso l'apparato escretore.
• Trapianto di midollo osseo: in quanto il midollo è la sede della sintesi dei globuli rossi nell'adulto. L'importante è riuscire a trovare la disponibilità di un organo il più possibile compatibile dal punto di vista del profilo antigenico.
• Manipolazione delle cellule dell'affetto: procedura che consiste nell'andare a modificare il gene inserendo un gene che sia corretto nella sua struttura e vada a sostituire quello mutato. Per inserire il gene si utilizzano dei vettori generalmente virali (adenovirus) in cui viene iniettato il gene. Sono procedure molto complesse, il virus utilizzato non deve essere ovviamente nocivo e il gene deve avere un tempo di produzione del prodotto proteico adeguato, non deve produrre danni al DNA dell'ospite. L'altro tipo di vettore utilizzato è un vettore sintetico, cioè costituito dai liposomi, vescicole sintetizzate all'interno delle quali viene inserito i geni. I liposomi sono delimitati da delle membrane e hanno la caratteristica di rilasciare il loro contenuto solo una volta che sono arrivati all'obiettivo.
• Riattivazione del gene γ: la catena γ è un tipo di catena che può sostituire le catene β. Riattivando il gene γ possiamo riottenere un'Hb che può svolgere la sua funzione in modo più efficiente dell'Hb in caso di anemia o di talassemia. In realtà però si possono verificare problemi associati.

Beta talassemia o anemia mediterranea

Consiste in una carenza di produzione delle catene β e quindi la maggior parte dell'Hb è costituita da due catene α nell'affetto. Il dimero risultante è inefficiente nel trasporto di ossigeno. Gli organi interessati sono le ossa.