Genetica molecolare umana

DNA.

Le mutazioni possono de novo avvenire durante la gametogenesi e dare origine a spermatozoi e ovuli con

un allele mutante nuovo oppure possono avvenire in qualunque momento della vita post-zigotica:

l'individuo nato a seguito di una mutazione post-zigotica è un mosaico genetico che presenta popolazioni

di cellule geneticamente distinte che hanno uno spettro mutazionale differente.

Le mutazioni post-zigotiche possono manifestarsi in un mosaicismo che può avere conseguente solo per

l'individuo portatore oppure possono avvenire a livello della linea germinale: in questo caso il portatore

può non manifestare sintomi ma produrrà alcuni gameti normali ed altri gameti mutanti, con un rischio di

avere figli affetti maggiore di quello che deriva da mutazioni meiotiche.

Le mutazioni de novo a livello della linea germinale nei due sessi non influiscono allo stesso modo:

- nella donna → la cellula germinale primordiale effettua circa 22 divisioni mitotiche e crea un

pool di oociti che rimangono fermi alla meiosi I. In pubertà poi questi oociti iniziano a maturare

17

progressivamente e con il progredire dell'età aumenta il rischio di non disgiunzione

- nell'uomo → la cellula germinale primordiale maschile effettua circa 30 divisioni mitotiche a

formare uno spermatogonio che a partire dalla pubertà continua ad effettuare 20-25 mitosi per

anno, a generare spermatogoni che vanno poi in meiosi. Anche nell'uomo il rischio di non

disgiunzione durante il processo di meiosi aumenta con l'età.

In base a calcoli probabilistici in un uomo di 55 anni potrebbero essersi accumulate circa 600

mutazioni a carico degli spermatozoi: alcune di queste sono deleterie e vengono eliminate con

morte degli spermatozoi, altre invece vengono mantenute (circa 1:10).

Le mutazioni de novo sono quindi più frequenti a livello della linea germinale maschile ed aumentano

con l'aumentare dell'età; inoltre a seconda di quanto più è precoce la mutazione a livello germinale si

avranno tante più cellule mutate.

È possibile utilizzare la PCR per individuare se lo sperma del padre contiene una copresenza di

spermatozoi mutati e normali; per un'analisi quantitativa è però necessario effettuare una qPCR.

Quindi... i casi in cui un individuo affetto può nascere da genitori sani sono:

1. mutazione de novo

2. penetranza incompleta

3. comparsa ritardata

4. presunta paternità non biologica

Eterogeneità genetica

L'eterogeneità genetica consiste nella presenza di fenotipi uguali o molto simili determinati però

determinati da meccanismi genetici diversi. L'eterogeneità può essere di due tipi:

allelica → alleli diversi dello stesso gene mutati determinano lo stesso fenotipo; più un gene è

• grande più è elevata la probabilità che diverse mutazioni generino lo stesso fenotipo.

Mutazioni diverse su un singolo locus genico possono variare però per intensità o avere anche altri

effetti.

Esempi sono la β-talassemia che può essere causata da diverse mutazioni sul gene HBB, ma anche

la PKU, la fibrosi cristica..

L'eterogeneità di locus spiega il fatto che due genitori eterozigoti che portano mutazioni diverse a

carico dello stesso gene possono portare alla nascita di un figlio eterozigote composto ammalato.

Un esempio di eterogeneità allelica “al contrario” è l'eterogeneità fenotipica che si manifesta

quando mutazioni diverse a carico dello stesso gene danno origine a fenotipi diverse, ad esempio

mutazioni diverse del gene distrofina possono dare origine alla distrofia muscolare di Duchenne o

di Becker.

Questo meccanismo avviene per l'oncogene RET che viene espresso dalle cellule

enterocromaffini: mutazioni a carico di uno specifico esone causa MEN2A/2B (carcinoma

midollare della tiroide) mentre mutazioni a livello degli altri esoni determinano l'assenza di gangli

a livello intestinale (che quindi manca di motilità).

di locus → geni diversi mutati determinano lo stesso fenotipo; questo avviene poiché spesso

• prodotti di loci diversi cooperano come complessi proteici o in un unico pathway che viene quindi

compromesso.

L'eterogeneità di locus spiega invece come due genitori omozigoti per una mutazione recessiva su

due loci possono dare origine ad un figlio doppio eterozigote sano (complementazione).

18

Con complementazione si intende il restaurarsi nella progenie di una funzione biologica persa nei

genitori. Affinché questo avvenga i genitori devono essere alternativamente mutati omozigoti recessivi

per un gene e normali omozigoti dominanti per l'altro in modo da generare figli doppi eterozigoti per

entrambi i geni e quindi sani.

Le variazioni fenotipiche possono quindi essere suddivise in:

interfamiliali → le mutazioni sono diverse e possono dare origine a fenotipi uguali o diversi

• intrafamiliali → la mutazione è la stessa ma essendo i background genetici diversi, i fenotipi che

• si generano possono essere più o meno gravi; oppure possono esserci fenomeni di epigenetica che

causano la modificazione di una mutazione o anche fattori ambientali che possono modificare

l'espressione di un determinato allele.

Fenocopie

La fenocopia è la copia di un fenotipo determinato geneticamente che, invece da essere determinato da

fattori genetici, è determinato da fattori ambientali.

Un esempio sono le malformazioni causate da agenti chimici o da virus (rosolia, sordità..).

I caratteri fenotipici che si osservano in questi individui non sono ovviamente ereditari ma possono

causare problemi di interpretazione degli alberi genealogici!

Ereditarietà oligogenica

L'ereditarietà oligogenica consiste nella manifestazione di un fenotipo determinato da due alleli mutanti

su due loci diversi e può essere di due tipi:

con effetto sinergico → mutazioni su geni diversi agiscono in maniera sinergica nel determinare

• il fenotipo

con effetto additivo → mutazioni a carico di un gene danno origine ad un fenotipo malato che si

• aggrava con la presenza di una mutazione su un secondo locus.

Un esempio è il glaucoma giovanile: la co-presenza in eterozigosi della mutazione a carico di due

geni ha un effetto additivo che quindi aggrava la patologia e la anticipa a livello giovanile.

Un altro esempio è la retinite pigmentosa che si manifesta in individui doppi eterozigoti per il gene

ROM1 e la periferina (RDS); le mutazioni in eterozigosi separatamente non causano malattia.

La sindrome di Bardet-Biedl è una malattia autosomica recessiva ad eredità triallelica, ovvero è dovuta

alla mutazione dei due geni (BBS2 e BBS6) a livello di tre alleli che si manifestano come mutazioni

omozigote in un locus ed eterozigote nell'altro. Questa sindrome causa: obesità, brachidattilia, retinite

pigmentosa..

Imprinting genomico

La quasi totalità dei geni è biallelica, quindi la loro espressione non dipende dal sesso del genitore che lo

trasmette; questo non vale per quei pochi geni che sono monoallelici e che possono trovarsi su:

- cromosomi del sesso

- XY → emizigosi costitutiva

- XX → inattivazione X, emizigosi funzionale

- autosomi → i geni vengono controllati mediante:

- imprinting genomico → l'allele che si esprime dipende dal genitore da cui deriva, è un

19

meccanismo di emizigosi funzionale

- esclusione allelica → avviene in seguito ad un riarrangiamento programmato del DNA a

livello dei linfociti B (Ig) e dei linfociti T (TCR)

Ereditarietà mitocondriale

I mitocondri svolgono diversi ruoli essenziali all'interno della cellula: produzione di energia, sintesi di

pirimidine, sintesi dell'eme, metabolismo del colesterolo, controllo dell'apoptosi, produzione di ROS..

Malattie a carico dei mitocondri causano quindi un'alterazione del comparto bioenergetico, dei processi

ossidativi e dell'apoptosi.

I mitocondri possono essere presenti in numero variabile nelle cellule, da migliaia (es. cellula uovo) a

pochi: una cellula uovo matura presenta circa 5000 mitocondri necessari a fornire energia per i processi

mitotici, gli spermatozoi invece contengono pochi mitocondri a livello del flagello, che viene perso a

seguito della fecondazione.

Il DNA mitocondriale è lungo circa 17Kb, circolare e a doppio filamento: presenta un filamento heavy

(H) ricco in GC ed un filamento L (light); il genoma mitocondriale codifica per 37 geni, di cui 13

polipeptidi (parte della catena respiratoria), 24 RNA di cui 22tRNA e 2rRNA.

Tutti i geni sono privi di introni e parzialmente sovrapposti e possono essere soggetti a mutazioni: il tasso

di mutazione è molto più elevato rispetto al DNA nucleare a causa dell'assenza di meccanismi di riparo,

ma anche ad una maggiore esposizione a ROI e ROS.

Il genoma mitocondriale può anche essere soggetto a ricombinazione che causa duplicazioni o delezioni

che però non vengono trasmesse alla generazione successiva.

L'eredità mitocondriale è particolare poiché ogni cellula contiene centinaia mitocondri ed ogni

mitocondrio contiene più copie di DNA (5-10) e inoltre lo zigote riceve solo i mitocondri materni!

Le caratteristiche del DNA mitocondriale sono quindi:

- poliplasmia → ovvero la presenza di migliaia di copie di DNA all'interno di ogni cellula

- segregazione mitotica

- tramissione matrilineare

- effetto soglia

- eteroplasmia/omoplasmia.

Segregazione mitotica

Il DNA mitocondriale non presenta un fuso mitotico che permette di dividere in maniera corretta il DNA,

inoltre il citoplasma durante la mitosi viene diviso in maniera non precisa: questa assenza di controllo

determina la possibilità della presenza di più o meno mitocondri nelle cellule figlie.

In caso di mutazioni a seguito della mitosi possono verificarsi due situazioni:

omoplasmia → si generano cellule che contengono solo mitocondri mutati ed altre che ne

• contengono solo normali: se questo avviene la progenie che deriva dell'oocita con i mitocondri

mutati avrà tutti i mitocondri ammalati

eteroplasmia → copresenza nella stessa cellula di mitocondri wild-type e mitocondri mutati.

• L'eteroplasmia determina il fatto che all'interno di uno stesso individuo possano essere presenti

tessuti più o meno malati: per ciascuna malattia esiste una soglia di numero di mitocondri mutati

oltre al quale si avrà la manifestazione della malattia.

Nelle malattie mitocondriali sono affetti sia maschi che femmine, ma solo le femmine possono

trasmettere ai figli. 20

Il fatto che una donna ammalata possa non trasmettere la malattia al figlio o che una donna

fenotipicamente sana trasmetta la malattia al figlio è dovuto al fenomeno detto