Genetica Medica, ereditarietà mendeliana e mitocondriale

Patologie AD e mutazioni "de novo"

Spesso le patologie AD si sviluppano a causa di mutazioni "de novo" (non ereditate, sporadiche, solo nell'ultima generazione) e non vengono trasmesse perché riducono molto la fitness riproduttiva. Le varianti de novo hanno un bias paterno, si sviluppano cioè durante la spermatogenesi con una frequenza crescente proporzionale all'età del soggetto maschio.

ACONDROPLASIA: patologia AD solitamente de novo. La condizione di omozigosi dominante (AA) non è compatibile con la vita! Causata da una mutazione del gene FGFR3 (recettore dei fibroblasti), porta a problemi scheletrici.

Per quanto riguarda queste patologie, è fondamentale introdurre altri due concetti:

• PENETRANZA INCOMPLETA: condizione per cui un individuo eterozigote non manifesta il fenotipo dominante. Questo può essere dovuto a fattori ambientali/ormonali o ad una manifestazione tardiva della patologia.

In un albero genealogico è bene individuare il...

cosiddetto“eterozigote obbligato” (nella figura a lato, è l’individuoIII-2).

• ESPRESSIVITA’ VARIABILE: condizione per cui il fenotipodominante è espresso, ma in modo “vario”, con gravitàdifferenti nei soggetti (differenze riscontrabili anche trafratelli!). Il fenomeno può essere dovuto all’interazione tra più geni, che può portare adaggravare o ad attenuare il fenotipo malattia.

SINDROME DI MARFAN: patologia AD con penetranza completa, ma espressivitàparticolarmente variabile.Causata dalla mutazione del gene FBN1, si manifesta clinicamente con sintomicardiovascolari, muscolo-scheletrici, oculari e polmonari di variabile gravità.A seconda del motivo per cui si manifesta la malattia, si possono individuare duesituazioni:

• APLOINSUFFICIENZA: condizione in cui la mutazione interessa un gene che habisogno di una “doppia informazione” (su entrambi gli alleli) per essere efficacementetradotto.

L'eterozigote mostra la malattia perché l'allele wild-type (sano) non è sufficiente per portare alla sintesi di una proteina funzionante o nella giusta quantità. - DOMINANZA NEGATIVA: condizione in cui la sintesi errata di una subunità proteica causa il malfunzionamento anche della wild type e in generale di tutta la proteina. Spesso è una situazione che riguarda fattori di trascrizione o proteine-canale, multimerici. !!! OSTEOGENESI IMPERFETTA: patologia AD causata da un imperfetto assemblaggio delle proteine alfa del collagene. La causa è variabile, a seconda del tipo di mutazione sui geni COL1A1 o COL1A2: - la mutazione Loss of Function porta ad APLOINSUFFICIENZA => fenotipo "mild", lieve - la mutazione Missenso porta alla DOMINANZA INCOMPLETA => scorretta formazione ossea con fratture già in utero => possibile aborto! 2) Caratteristiche ereditarietà AUTOSOMICA RECESSIVA (AR): - manifestazione nei due

sessi con uguale frequenza- solitamente "skip generazionale"- possibile che individuo affetto sia figlio di genitori entrambi sani- rischio di ricorrenza se genitori entrambi portatori sani(Aa) è 25% (condizione più probabile)- rischio di ricorrenza se un genitore sano e uno malato è 50% (se il sano è portatore Aa) o 0% (se il sano è omozigote per l'allele dominante AA)La caratteristica di queste patologie è quella di mostrarsi fenotipicamente in caso di:- OMOZIGOSI => stessa mutazione su entrambi gli alleli- ETEROZIGOSI COMPOSTA => due varianti su due loci diversi dello stesso gene- DOPPIA ETEROZIGOSI => due varianti su due geni diversi coinvolti nella medesimaazioneLe malattie AR sono un indice di consanguineità: è più probabile che la stessa mutazione sia presente nei due genitori se questi hanno un antenato in comune (si parla di "effetto fondatore" se questo antenato è molto

lontano nel tempo).Dal punto di vista evoluzionistico, questo tipo di patologie è meno soggetto allapressione selettiva, poiché si mostra meno frequentemente nella popolazione.Non è raro che una malattia AR sia molto presente in una popolazione in un determinatoambiente per un fenomeno di vantaggio dell'eterozigote; quando questo avviene, si puòarrivare ad avere una ereditarietà "pseudodominante", con il fenotipo clinico presente intutte le generazioni.!!! ANEMIA FALCIFORME: patologia AR molto diffusa in Africa centrale.Causata dalla mutazione del gene HBB che codifica per la beta-globina, provoca unosviluppo errato degli eritrociti, che non riescono perciò a legare efficacemente l'ossigeno.Gli eterozigoti Aa hanno una situazione clinica compatibile con la vita, ma hanno ilvantaggio di non essere attaccati dal parassita della malaria.Dal punto di vista della manifestazione clinica, spesso queste patologie portano adisturbimetabolici e all'interno della stessa generazione, si presentano omogeneamente. Non vi è espressività variabile o penetranza incompleta. • Lyonizzazione Prima di prendere in considerazione le malattie X-linked, bisogna ricordare che negli individui di sesso femminile uno dei due cromosomi X è inattivato epigeneticamente, così da ottenere una emizigosi funzionale ed evitare una sovraespressione genetica rispetto al maschio. Il processo di silenziamento è detto "lyonizzazione", avviene durante la 3° settimana intraembrionale ed è regolato dal gene XIST, nella regione XIC (posizione Xq13), che codifica un long-non-coding-RNA. Il cromosoma silenziato è detto "corpo di Barr" e si trova per la maggior parte in stato eterocromatinico. Gli "escape genes" sono il 20-30% dei geni sull'X e hanno comunque bisogno di una espressione biallelica. L'inattivazione di uno o dell'altrocromosoma X è completamente casuale, mentre il fenomeno di "escaping" è tessuto-specifico. Tutto ciò comporta la possibilità di individuare nella femmina un "mosaico" (nello stesso individuo sono espresse più linee genetiche). 3) Caratteristiche ereditarie X-LINKED RECESSIVA (XLR): - manifestazione clinica prevalentemente negli individui maschi (per condizione di emizigosi) - impossibile trasmissione maschio-maschio - se padre malato e madre sana, 100% figlie femmine portatrici + 100% figli maschi sani - se padre malato e madre portatrice, 50% figli malati indipendentemente dal sesso (100% delle femmine sane portatrici) Gli individui femmine portatrici sane raramente presentano la malattia (e se succede, con un fenotipo attenuato) per una non casuale inattivazione del cromosoma X mutato. !!! DISTROFIA MUSCOLARE di DUCHENNE: patologia XLR E' mutato il gene per la DISTROFINA, proteina del complesso che lega il citoscheletro della

fibrocellula alla matrice extracellulare => difficoltà deambulazione / paralisi /insufficienza respiratoria per blocco del diaframma.

4) Caratteristiche ereditarietà X-LINKED DOMINANTE (XLD):

• manifestazione clinica prevalentemente negli individui femmine, poichè la condizione di omozigosi/emizigosi non è compatibile con la vita (frequenti aborti)
• impossibile trasmissione maschio-maschio
• se padre malato e madre sana, 100% figlie femmine affette + 100% figli maschi sani
• se padre sano e madre malata, 50% figli malati indipendentemente dal sesso!!!

SINDROME DI RETT: patologia XLD, solo pazienti femmine (de novo, non è raggiunta neanche dalle femmine l’età riproduttiva).

La mutazione riguarda il gene MecP2 (Xq28) che codifica una proteina reader delle isole CpG. Fenotipicamente, le malate mostrano microcefalia, ritardo del linguaggio, crisi epilettiche e atteggiamenti autistici come l’attorcigliamento compulsivo delle mani.

NB: spesso le

patologie X-linked sono associate ad un deficit intellettivo, poiché su questo cromosoma si trovano geni coinvolti nello sviluppo neurologico e cognitivo.

MALATTIE MITOCONDRIALI

Si ricorda che il mtDNA si trova come una struttura circolare e contiene 16569 bp, con 37 geni. Tra questi, solo 13 codificano per proteine, 22 sono per tRNA e 2 per rRNA.

Si trovano inoltre regioni non coding di controllo, le cosiddette "D-loop", e regioni HSP e LSP, cioè "Heavy Strand" e "Light Strand Promoters".

Le mutazioni del mtDNA sono più frequenti rispetto a quelle del DNA nucleare perché:

• nei mitocondri vi è maggior rischio di danno per stress ossidativo;
• il DNA mitocondriale non è protetto da istoni;
• la duplicazione del mtDNA avviene in più cicli anche durante l'interfare, non solo in fase S => è maggiore il tempo di esposizione del singolo filamento;
• la polimerasi gamma è dotata di

capacità di proofreading, ma non attraverso il meccanismo di escissione di nucleotidi => è meno precisa rispetto alle polimerasi nucleari. L'eredità mitocondriale è di tipo matrilineare, poiché i mitocondri paterni sono degradati subito dopo l'avvenuta fecondazione. Inoltre, durante la divisione cellulare, i mitocondri (e il DNA in essi) seguono una cosiddetta "deriva genica casuale", non sono divisi in modo sistematico. È necessario a questo punto introdurre i concetti di OMOPLASMIA ed ETEROPLASMIA/POLIPLASMIA, condizioni per le quali il DNA mitocondriale negli organelli è uguale o mutato rispetto al wild type. Se fino a pochi anni fa si pensava che la condizione di omoplasmia fosse correlata ad un fenotipo "sano", ad oggi si sa che tutti gli individui si trovano in una condizione di MICROETEROPLASMIA. A seconda quindi della percentuale di mtDNA mutato ereditato dalla cellula uovo figlia, la patologia.

potrà essere o meno espressa (=> condizione di espressività variabile). Inoltre, bisogna considerare il fatto che sotto un certo valore soglia la patologia potrebbe addirittura rimanere silente (=> threshold effect).

Il valore di questa soglia è tessuto specifico, poiché vi sono citotipi più sensibili alle mutazioni del mtDNA (poiché dipendenti maggiormente dal metabolismo mitocondriale).

Questi stessi tessuti sono quelli più colpiti dalle mitocondriopatie e che ne caratterizzano la sintomatologia: SNC, occhi, muscolo scheletrico e cardiaco, fegato, reni, pancreas ed intestino.

Le patologie mitocondriali non sono rare, hanno una frequenza di 1/4300, e nel conteggio si tiene conto anche dei disordini la cui insorgenza può essere influenzata da una mutazione su un gene mitocondriale modificatore, che può accelerare o rallentare gli effetti della malattia. Un esempio: