Genetica medica

La genetica medica

La genetica medica si occupa di malattie ereditarie o eredo familiari. Le malattie umane possono essere divise in:

• Malattie genetiche: dovute ad anomalie quantitative o qualitative del patrimonio genetico; causa dovuta a un'alterazione del DNA.
• Malattie ambientali: dovute unicamente all'azione di uno o più fattori ambientali. Un esempio è una frattura scheletrica dovuta a una caduta, così come una bruciatura.
• Malattie multifattoriali: dovute al concorso casuale di uno o più fattori genetici e uno o più fattori ambientali. Si parla di malattie poligeniche, in cui vi è una componente genetica di predisposizione ereditaria, la quale non va estrapolata dall'ambiente. Ad esempio, l'obesità è considerata una malattia dovuta a una componente ereditaria ma che l'ambiente è in grado di modificare; stesso discorso vale per l'ipertensione e per le cardiopatie.

Spesso una malattia genetica risente dall'ambiente così come una malattia ambientale può avere anche un background genetico: una frattura può essere dovuta a una maggiore probabilità di fratturarsi a causa dell'osteoporosi.

Classificazione malattie genetiche

• Malattie genetiche propriamente dette:
  • Monogeniche o mendeliane.
  • Oligogeniche.
  • Genomiche.
  • Cromosomiche.
• Malattie mitocondriali (dovute a mutazioni del DNA mitocondriale).
• Malattie ad eredità complessa (causate dall'interazione tra geni e ambiente):
  • Multifattoriali.

Definizione di genetica

Genetica: scienza che studia la trasmissione dei caratteri ereditari.

Genetica medica: parte della patologia medica che si interessa dell'eziopatogenesi delle malattie genetiche ereditarie mediante lo studio dei rapporti genotipo-fenotipo.

Genetica clinica: comprensioni delle basi molecolari delle malattie genetiche a fini diagnostici (test genetici), prognostici (evoluzione clinica), preventivi (diagnosi prenatale) e terapeutici (farmaci orfani).

Cos'è la genetica medica

La genetica medica analizza le applicazioni della genetica nella pratica clinica riguardando un gran numero di malattie, sia quelle di interesse pediatrico sia degli adulti. Evidenze acquisite hanno chiarito che la maggior parte delle malattie ha una componente genetica più o meno importante.

Il principale impatto della genetica medica sulla salute umana riguarda il controllo delle malattie attraverso la diagnosi e la prevenzione. Sono poche le malattie che non hanno una componente genetica.

Storia della genetica medica

Mendel è il padre della genetica medica. Nel 1866 pubblicò i suoi esperimenti sulla trasmissione dei caratteri ereditari negli organismi sessuati, i quali rimasero poco considerati fino all'inizio del 1900, secolo in cui vi fu una rivalutazione di tali esperimenti e più in generale degli studi di Mendel.

Nel 1902 Garrod (pediatra) scoprì la prima malattia monogenica nell'uomo: l'alcaptonuria, una malattia recessiva dovuta all'alterazione del catabolismo della fenilalanina.

Vi fu poi un salto temporale: le prime voci sulla genetica medica arrivarono intorno alla metà del secolo scorso. Nel 1956 Tijo e Levan stabilirono che il numero di cromosomi delle cellule somatiche umane è 46; nacque quindi la citogenetica (studio dei cromosomi).

Nel 1959 Lejeune individuò il primo esempio di patologia cromosomica costituzionale nell'uomo: la trisomia 21. Nel 1960 Nowell descrisse il primo esempio di patologia cromosomica acquisita: il cromosoma "Philadelphia" nel midollo di pazienti con leucemia mieloide cronica (non tutte le cellule hanno tale malattia, solo le cellule tumorali la presentano).

Per la nascita della genetica medica è stata necessaria la scoperta e lo studio del DNA.

La nascita della genetica molecolare

Nel 1953 Watson e Crick determinarono la struttura del DNA. Watson e Crick sono stati due biologi strutturali: riuscirono a comprendere la funzione del DNA studiando la struttura della doppia elica. Il punto di svolta è stato nell'identificazione della presenza di legami idrogeno (legami deboli) che mantengono connessi i due filamenti; essendo deboli permettevano a tale molecola di aprirsi e essere replicata.

Nel 1977 viene avviato il progetto genoma umano, con l'idea di arrivare al sequenziamento del genoma umano (finito nel 2000-2001). Maxam, Gilbert e Sanger misero a punto due diversi metodi per sequenziare il DNA, cioè per leggere la successione di basi nucleotidiche che lo compongono.

Nel 2000 Collins e Venter annunciarono contemporaneamente di aver completato la bozza del genoma umano. Nel 2001 la bozza completa del genoma umano venne pubblicata su Nature e Science. Si diffuse l'idea di essere arrivati a conoscere tutto; tuttavia sapere quali e quanti geni abbiamo non ci dà grandi informazioni su di essi e sulle malattie ad essi correlate. Da qui si sviluppò la genetica medica.

La conoscenza delle malattie genetiche non può essere disgiunta dalla conoscenza degli aspetti della biologia cellulare (meccanismi della divisione cellulare e processi attraverso i quali i geni replicano e dirigono la sintesi proteica).

Scoperta del nucleo cellulare

Nel 1831 Brown, un botanico scozzese, individuò per la prima volta il nucleo nelle cellule vegetali. A livello del nucleo al momento della divisione cellulare si vede una sostanza granulare detta cromatina. Prima della divisione cellulare la cromatina si condensa e al microscopio sono osservabili i cromosomi.

Il nucleo:

• Componente essenziale della cellula.
• Contiene materiale genetico.
• Sede dei meccanismi indispensabili alla riproduzione cellulare e alla sintesi proteica.

Il gene è la struttura formata da regioni che codificano proteine (esoni e introni).

Il dogma centrale della biologia molecolare

L'espressione dell'informazione genetica si trova nel DNA. Questa può passare dal DNA all'RNA mediante trascrizione e dall'RNA a proteina mediante traduzione; tuttavia non può passare da proteine ad acidi nucleici. Il dogma centrale fu sviluppato da Crick ma fu completato successivamente, con la scoperta della trascrittasi inversa, che permette di trasferire l'informazione genetica dall'RNA al DNA.

Codice genetico

Il codice genetico è ridondante: più codoni codificano per uno stesso amminoacido.

Mutazioni

Nella totalità delle mutazioni distinguiamo:

• Mutazione cromosomica: mutazione che altera la struttura o il numero di cromosomi.
• Mutazione genica: mutazione limitata a una sequenza codificante o comunque di dimensione ridotta.
• Mutazione in regioni non codificanti regolative o conservate (importanti tanto quelle codificanti):
  • Mutazioni a carico di sequenze conservate che regolano la trascrizione provocano alterazioni dell'attività trascrizionale dei geni ad esse correlate.
  • Mutazioni a carico dei siti di splicing (molecola di RNA più instabile rapidamente degradato).

Mutazioni geniche

• Delezioni.
• Duplicazioni.
• Inserzioni (presenza di uno o più nucleotidi in sovrannumero nel genoma).
• Sostituzioni: quelle di singole basi (sostituzioni puntiformi) sono le alterazioni più comuni nel genoma. Se colpiscono le regioni codificanti del DNA vengono classificate in base all'effetto provocato sul polipeptide codificato dal gene interessato.

Vi sono differenti tipi di sostituzioni:

• Sostituzioni silenti: se la mutazione avviene all'interno di un introne o nel terzo nucleotide della tripletta codificante un amminoacido non c'è cambio di amminoacido all'interno della proteina.
• Sostituzioni missenso (più difficili da studiare e interpretare): determinano un cambiamento dell'amminoacido codificato. Generalmente vengono colpiti da sostituzioni missenso il primo e il secondo nucleotide della tripletta. Tali sostituzioni causano un polipeptide con un amminoacido differente rispetto al polipeptide normale. Sulla base del tipo di amminoacido inserito si dividono in:
  • Conservative: portano all'introduzione di un amminoacido con caratteristiche chimiche simili a quelle dell'amminoacido sostituito: non si altera più di tanto la funzione della proteina.
  • Non conservative: l'amminoacido sostituito ha caratteristiche chimiche differenti da quello precedente; ciò porta ad un'alterazione della struttura tridimensionale della proteina e quindi della sua struttura biologica.
• Mutazioni non senso: determinano un cambiamento di un codone che specifica per un amminoacido con un codone di STOP. Ciò determina la formazione di una proteina tronca, più corta della proteina normale, in quanto ha perso un segmento alla sua estremità C-terminale.

Mutazioni somatiche e mutazioni germinali

• Mutazioni somatiche: avvengono in cellule della linea somatica, vengono trasmesse solamente alle cellule derivanti da quelle mutate, sono limitate all'individuo in cui è insorta e non vengono trasmesse alla progenie. Un esempio di mutazione somatica è il tumore.
• Mutazioni germinali: avvengono nelle cellule della linea germinale, cellule che danno origine ai gameti (spermatozoi e ovuli) e verranno ereditate dalla generazione successiva. La progenie presenterà tale mutazione in TUTTE le cellule del proprio corpo.
• Mutazioni eredo-familiari: possiamo inoltre distinguere mutazioni di cellule della linea germinale che verranno trasmesse alla progenie e predispongono la progenie a malattie somatiche. Ad esempio, vi sono alterazioni del DNA che aumentano la probabilità di contrarre il tumore.

Ciclo cellulare e mitosi

Il ciclo cellulare è la successione di eventi che caratterizzano la vita della cellula, ovvero gli stadi attraverso i quali la cellula passa da una divisione alla successiva e si compone di un'interfase e una mitosi. Il ciclo cellulare può essere definito come il periodo che intercorre tra due successive divisioni mitotiche. Si divide in:

• Fase G1.
• Fase S.
• Fase G2.
• Fase M.

Interfase

• Fase G1: ultimata la mitosi, la cellula entra nella fase G1; in cellule figlie non formate inizia un periodo di riposo di lunghezza variabile durante il quale non si attua la sintesi di DNA (avviene però sintesi di proteine ed RNA). Questo intervallo di tempo è definito come GAP 1 o G1.
• Fase S: ha una durata diversa per ogni tipo di cellula. In questa fase avviene la sintesi di acidi nucleici e in particolare la duplicazione del DNA. Tale fase è detta fase di sintesi o fase S.
• Fase G2: alla fase di sintesi segue un'altra fase di quiescenza, senza divisione cellulare, durante la quale il DNA della cellula è il doppio. Tale fase è detta GAP 2 o G2.

Alcune cellule possono rimanere nella fase G1 anche per tutta l'esistenza e in questo caso non essendovi ulteriori cicli cellulari si parla di fase G0. Ad esempio, i neuroni, una volta arrivati a un differenziamento (in età adulta), non compiono più cicli cellulari.

In base alla capacità di dividersi, le cellule eucariotiche vengono distinte in:

• Stabili: permangono in fase G1 e presentano divisioni cellulari solo se stimolate da particolari fattori (esempio: cellule epatiche).
• Labili: alcune cellule si dividono attivamente, la fase G1 è breve; mentre altre seguono la via del differenziamento cellulare e poi la morte.
• Perenni.

Mitosi

La mitosi è il processo di divisione che avviene nelle cellule somatiche. La cellula si divide per dare origine a cellule geneticamente identiche alla cellula madre dalla quale si sono originate. I processi mitotici sono attivi per tutta la durata della vita dell'individuo (attivi fin dalla fase fetale e persiste in adulti, con poche eccezioni come i neuroni). La mitosi rappresenta parte del ciclo cellulare (fase M, circa 20 minuti). La mitosi è divisa in 4 fasi:

• Profase: fase in cui avviene la formazione del fuso mitotico. Si ha la condensazione della cromatina: i cromosomi iniziano a diventare visibili. Ciascun cromosoma è duplicato perché la profase avviene dopo la fase S, per cui ciascuno è formato da due braccia unite da un centromero (le braccia sono i cromatidi fratelli, rappresentati da ciascun cromosoma duplicato). Vi è la frammentazione della membrana del nucleo e la scomparsa dei nucleoli.
• Metafase: i cromosomi migrano verso il piano equatoriale attaccandosi alle fibre del fuso mitotico a livello del centromero. In questa fase si forma la piastra metafasica, data dall'allineamento dei cromosomi sul piano equatoriale. Si ha la massima condensazione della cromatina.
• Anafase: fase in cui i cromatidi fratelli (coppie di cromosomi) si separano. I cromosomi vengono trainati dalle fibre del fuso e migrano alle estremità della cellula. Si ha la separazione dei cromatidi fratelli ai poli della cellula.
• Telofase: avviene la despiralizzazione dei cromosomi; si forma nuovamente la cromatina. La membrana del nucleo e il nucleolo si riformano.

Citochinesi: la membrana cellulare si contrae all'equatore della cellula per dividere la cellula in due (nelle cellule animali).

Alla telofase segue la citodieresi, che rappresenta la separazione fisica delle due cellule figlie. Da una cellula madre diploide a 46 cromosomi si generano due cellule figlie identiche alla cellula madre da cui si sono originate.

Meiosi

La meiosi è la divisione cellulare mediante la quale vengono prodotti i gameti maschili e femminili; avviene unicamente nelle cellule germinali. Il corredo cromosomico delle cellule figlie si riduce da 46 a 23 (da diploide ad aploide). Vi sono due divisioni: meiosi I e meiosi II, la prima è di tipo riduzionale la seconda è di tipo equazionale. Nella meiosi I vi è una duplicazione del materiale; ciò non avviene nella meiosi II.

Meiosi I:

• Profase I
• Metafase I
• Anafase I
• Telofase I

Meiosi II:

• Profase II
• Metafase II
• Anafase II
• Telofase II

L'interfase precede la meiosi; in questa fase avviene la duplicazione del materiale genetico, il nucleo è definito, l'involucro contiene nucleoli e i cromosomi non sono ancora riconoscibili. Alla fine dell'interfase, ovvero avvenuta la duplicazione del materiale genetico, la cellula entra nella meiosi I.

• Profase I: si tratta della fase più complessa del processo meiotico, ed è per questo divisa in cinque sottofasi. Durante la profase I avviene l'appaiamento dei cromosomi omologhi. A differenza della mitosi, nella meiosi vi è l'appaiamento dei cromosomi omologhi: avviene il processo del crossing over, che contraddistingue il processo meiotico e determina il riassortimento genetico (non avviene nella mitosi). I cromosomi omologhi si allineano e si possono scambiare segmenti corrispondenti. Il crossing over avviene tra i cromatidi di cromosomi omologhi, non dello stesso cromosoma (ovvero non cromatidi fratelli). Le sotto-fasi della profase I sono:
  • Leptotene
  • Zigotene
  • Pachitene: avviene il crossing over, che porta alla formazione di cromosomi ricombinanti. Il crossing over non avviene tra cromatidi fratelli di una coppia di omologhi.
  • Diplotene
  • Diacinesi
• I cromosomi omologhi sono cromosomi corrispondenti, uno di origine materna e l'altro di origine paterna. Durante la fase S si producono i cromatidi fratelli: ogni cromosoma duplica. Nel momento della duplicazione del DNA si formano cromatidi fratelli tenuti insieme dal centromero, identici tra loro. Al termine del processo meiotico, il risultato saranno quattro cellule aploidi (gameti), differenti dalla cellula madre.
• Metafase I: avviene l'allineamento delle tetradi (ogni cromosoma è duplicato e si ha l'appaiamento dei cromosomi omologhi; i cromatidi sono quattro) sulla piastra metafasica. I cromatidi fratelli di ogni cromosoma sono uniti grazie al centromero, dove si stabilisce il contatto coi microtubuli. Nella metafase il cinetocoro per ciascun cromosoma duplicato è unico, per cui i due cromatidi fratelli (cromosoma duplicato) si muovono insieme; un cromosoma andrà a un polo, mentre l'omologo duplicato andrà all'altro polo.
• Anafase I: avviene la separazione dei cromosomi omologhi, non più uguali ai cromosomi originali, in quanto è avvenuto il crossing over (alcuni presentano frammenti del cromosoma omologo).
• Telofase I e citodieresi.

Meiosi II

Dopo la prima divisione meiotica segue la meiosi II, molto simile alla mitosi:

• Profase II: non avviene la duplicazione del materiale genetico. Il processo è molto simile alla profase della mitosi.
• Metafase II
• Anafase II: avviene la separazione dei cromatidi fratelli, che migrano verso poli opposti della cellula, sotto forma di singoli cromosomi.
• Telofase II e citodieresi: si formano cellule aploidi.

Spermatogenesi e oogenesi

Spermatogenesi

La spermatogenesi è il processo attraverso il quale maturano i gameti maschili, ovvero gli spermatozoi. La spermatogenesi è un processo che inizia nel maschio con la pubertà ed avviene nei tubuli seminiferi del testicolo. Con la pubertà, gli spermatogoni (ovvero le cellule germinali primitive da cui originano i gameti) presenti nei testicoli, sotto stimolo ormonale, si replicano per mitosi dando origine agli spermatociti di primo ordine.

Gli spermatogoni sono considerabili come cellule staminali, capaci di autoriprodursi; dalla pubertà in poi vanno continuamente incontro a processi mitotici, generando un pool di cellule che, in parte vengono utilizzate nuovamente per i processi mitotici, in parte seguono una via di differenziazione in spermatociti di primo ordine. Siccome alcune rimangono come pool di riserva, con l’avanzare dell’età paterna, le cellule che entrano nel processo di formazione di gameti, hanno un numero di mitosi alle spalle sempre crescente; vi possono per questo essere malattie legate all’età paterna: il gamete che si va a generare può subire malformazioni genetiche a causa di eccessive mitosi (durante le quali possono avvenire errori, ovvero cellule non identiche alla cellula madre). Una volta rep.