Genetica umana

Genetica dei caratteri mendeliani

Trasmissione ereditaria dei caratteri mendeliani

Dominante: ogni tratto o carattere che si esprima nell’eterozigote, cioè, nel caso di malattia, in cui sia sufficiente una sola copia del gene difettoso per esprimere il fenotipo affetto.

Recessivo: ogni tratto o carattere che si esprima solo nell’omozigote, cioè, nel caso di malattia, in cui entrambe le copie del gene difettoso devono essere presenti per esprimere un fenotipo affetto.

Codominante: nel caso in cui lo stato eterozigote esprima un fenotipo distinto da quello dei due stati omozigoti, per esempio gruppi sanguigni, enzimi eritrocitari, etc.

Malattie ereditarie dominanti

• Mutazioni che inducono un eccesso di funzione: la mutazione produce una proteina con funzione o espressione alterata, nella maggior parte dei casi una sovra-espressione o una espressione scorretta (nel tessuto o nello stadio di sviluppo sbagliati) della proteina. Per esempio, nella malattia di Charcot-Marie-Tooth (17p11.2), una duplicazione errata di 1.5 Mb di DNA (3 copie) sovraesprime la proteina della mielina periferica (PMP22), causando neuropatia periferica.
• Insufficienza del corredo aploide (aploinsufficienza): la riduzione di una copia del gene (50%) è dannosa. Per esempio l’ipercolesterolemia, dovuta a una mutazione nel recettore della lipoproteina a bassa densità (LDL), genera una diminuzione dei livelli di recettore per cui circa il doppio di colesterolo rimane in circolo: ciò comporta un rischio maggiore di patologie cardiovascolari.
• Mutazioni dominanti negative: si tratta di mutazioni che generano un prodotto proteico che non solo non funziona, ma anche inibisce o interferisce con la funzione delle proteine normali, tipicamente proteine multimeriche. Un esempio è l’Osteogenesis Imperfecta.

Malattie ereditarie recessive

• Mutazioni che inducono una perdita di funzione: in questo caso gli eterozigoti (portatori) sono normali, una riduzione del prodotto proteico del 50% viene tollerato se il rimanente 50% è sufficiente per una funzione normale. Un esempio è il tratto falcemico, ββ gli omozigoti sono affetti perché non viene prodotta proteina o quella che è prodotta non funziona normalmente.
• Mutazioni diverse a carico di uno stesso gene possono provocare perdita o acquisizione di funzione. È il caso del gene PAX3 che codifica per un fattore trascrizionale che regola lo sviluppo dei melanociti. Mutazioni con perdita di funzione determinano la Sindrome di Waardenberg, ovvero difetti di pigmentazione cutanea e sordità. Mutazioni con acquisizione di funzione sono invece oncogene.

Studio dei caratteri mendeliani

Lo studio dei caratteri mendeliani nell’uomo viene effettuato attraverso lo studio dei pedigree. Il pedigree è sostanzialmente una figura che rappresenta in modo schematico individui con almeno un ascendente in comune, i loro discendenti, i loro coniugi e le relazioni di parentela che intercorrono tra di essi. Dal pedigree la trasmissione ereditaria di un carattere può essere seguita per numerose generazioni. Usando i principi di Mendel, l’informazione del pedigree può essere analizzata per determinare se il carattere ha una modalità di trasmissione dominante, recessiva, se il gene in esame è localizzato su un cromosoma autosomico o sessuale.

Principali modalità di trasmissione di un carattere mendeliano

• Autosomica dominante
• Autosomica recessiva
• X-linked dominante
• X-linked recessiva
• Y-linked
• Mitocondriale

Caratteristiche della trasmissione ereditaria

Carattere autosomico dominante

• La frequenza del carattere è uguale in entrambi i sessi.
• Il carattere si manifesta in ogni generazione (trasmissione verticale).
• Ogni individuo affetto ha un genitore affetto e genitori non affetti non trasmettono il carattere ai loro figli.
• Da un incrocio tra un individuo affetto (eterozigote) e uno normale (omozigote recessivo) nasce un figlio affetto con una probabilità del 50%.

Carattere autosomico recessivo

• La frequenza del carattere è uguale in entrambi i sessi.
• Il carattere può "saltare" una o più generazioni; trasmissione orizzontale.
• Nella maggior parte dei casi, un individuo affetto non ha genitori affetti (i genitori sono eterozigoti).
• Da un incrocio tra individui eterozigoti nasce un figlio affetto con una probabilità del 25%.
• La probabilità che genitori che non presentano il carattere generino un figlio che lo manifesta è aumentata nel caso di matrimoni tra consanguinei.

Carattere legato al sesso recessivo

• La frequenza del carattere è diversa nei due sessi; il carattere si manifesta quasi esclusivamente nei maschi.
• I maschi affetti in genere nascono da genitori che non manifestano il carattere; la madre è in genere una portatrice asintomatica e può avere parenti maschi affetti.
• Le femmine sono affette, se il padre è affetto e la madre è una portatrice.
• Non vi è una trasmissione da maschio a maschio.

Carattere legato al sesso dominante

• Il carattere si manifesta in entrambi i sessi, ma è più frequente nelle femmine che nei maschi.
• Tutte le figlie femmine di un maschio affetto sono affette, mentre nessuno dei suoi figli maschi è affetto.
• Il figlio di una femmina affetta, indipendentemente dal sesso (se maschio o femmina), ha il 50% di probabilità di essere affetto.

Albero genealogico di un carattere legato al cromosoma Y

• Caratteri presenti solo nei maschi e trasmessi da padre a figlio.
• Ogni carattere legato a Y si esprime.
• Poco più di 30 caratteri sono stati identificati (SRY necessaria per la determinazione sessuale primaria).

Eredità non mendeliana

Complicazioni negli alberi genealogici possono essere rappresentate da:

• Elevata frequenza dell’allele recessivo.
• Concepimento di maschi abortiti, nel caso di patologia X-linked dominante.
• Consanguineità, nell’analisi di patologia recessiva X-linked.
• Presenza di una nuova mutazione: nessuno dei genitori porta la mutazione; essa si verifica in uno dei gameti che dà origine all’individuo affetto. Questo sembra essere il caso di forme gravi di OI, che non sono generalmente compatibili con la riproduzione. In questo caso il rischio di avere un altro figlio affetto è praticamente nullo, a meno che non si tratti di mosaicismo.
• Mosaicismo somatico e/o della linea germinale: un individuo è un mosaico genetico quando possiede due o più linee cellulari geneticamente differenti, che derivano tutte da un unico zigote. Distinguiamo un mosaicismo “somatico” (la mutazione si verifica nello zigote o nelle prime fasi dello sviluppo embrionale) da un mosaicismo “germinale” (la mutazione avviene nello stadio germinale): quest’ultimo comporta un maggiore rischio di avere un figlio affetto.

Penetranza

La penetranza indica la probabilità che un individuo che presenta la mutazione a livello genotipico manifesti il carattere a livello fenotipico. La penetranza è, dunque, la percentuale di individui che hanno il genotipo-malattia e che sono affetti.

Penetranza incompleta: affermare che una malattia genetica è a penetranza incompleta equivale a dire che esiste una certa quota di individui che non manifestano la malattia pur avendo il genotipo-malattia: la malattia si manifesta in una proporzione di figli affetti minore di quella attesa dalle proporzioni mendeliane. Si esprime in termini di percentuale. La penetranza incompleta è una caratteristica maggiormente frequente nelle malattie autosomiche dominanti.

Espressività

L’espressività variabile si verifica quando individui portatori dello stesso allele malattia presentano caratteristiche cliniche e gravità diverse: esprime, dunque, il grado di gravità con cui si manifesta il fenotipo, fra individui che presentano lo stesso fenotipo. Per le malattie X-linked, l’espressività variabile, nelle femmine, può essere particolarmente accentuata. Questo è dovuto al fenomeno di inattivazione del cromosoma X.

Inattivazione del cromosoma X

L’inattivazione del cromosoma X è un processo che determina l’inattivazione selettiva degli alleli su uno dei due cromosomi X nelle femmine. È anche detta Lyonizzazione: essa fornisce un meccanismo di compensazione di dose, eliminando le differenze tra i due sessi nel rapporto atteso tra la dose di geni autosomici (A) e la dose di geni sul cromosoma X. I maschi, avendo un unico cromosoma X, sono costituzionalmente emizigoti per i geni sul cromosoma X. Esiste quindi una differenza tra i due sessi nel rapporto A:X di dose genica (2:1 nei maschi; 1:1 nelle femmine).

Per neutralizzare le differenze tra i sessi nella dose genica A:X, nella maggior parte delle femmine di mammifero si attua un meccanismo di compensazione: uno dei due cromosomi X parentali viene inattivato. L’inattivazione dell’X comporta la modifica della struttura della cromatina, con la produzione di una struttura condensata ed etero cromatica, il “corpo di Barr”. La maggior parte dei geni sul cromosoma X inattivato è soggetta a un meccanismo che li fa diventare trascrizionalmente inattivi. Inattivando uno dei due cromosomi X parentali, quindi, le femmine dei mammiferi diventano funzionalmente emizigoti per la maggior parte dei geni associati all’X.

Nelle fasi precoci dello sviluppo femminile, entrambi i cromosomi X sono attivi. L’inattivazione comincia quando le cellule cominciano a differenziarsi da linee totipotenti a linee pluripotenti, il che si verifica nella fase avanzata di blastocisti. In ciascuna cellula che darà origine al feto femminile, uno dei due cromosomi X parentali viene scelto per essere inattivato; ma la scelta del cromosoma da inattivare in ciascuna cellula è casuale e quindi cambia da cellula a cellula. Dopo che in una cellula progenitrice dell’embrione sia stato inattivato il cromosoma paterno o quello materno, esso di solito resta inattivo in tutta la progenie cellulare che ne deriva, cioè lo schema di inattivazione del cromosoma X viene ereditato in modo clonale.

Il processo di inattivazione del cromosoma X è complesso. Ad oggi, sono stati definiti geneticamente due importanti meccanismi:

• Elemento di controllo dell’X (Xce): effettua la scelta tra quale cromosoma X rimanga attivo e quale venga inattivato.
• Centro di inattivazione dell’X (Xic): è un locus cis-agente da cui parte l’eterocromatinizzazione che si estende su tutto il cromosoma in entrambe le direzioni. Se questo locus viene inserito in un autosoma, questo viene inattivato.

La funzione di XIST (X inactive specific transcript) dipende da XIST. XIST presenta espressione monoallelica, infatti è codificato unicamente dal cromosoma X inattivo. Si tratta di un gene che specifica un trascritto privo di schemi di lettura, quindi un RNA che non produce proteina (ncRNA), che ricopre il cromosoma inattivo. Si pensa, quindi, che questo RNA recluti dei fattori proteici che organizzano la cromatina in una conformazione serrata e inattiva dal punto di vista funzionale, mediante la metilazione e la de-acetilazione degli istoni.

Esiste un altro gene, chiamato TSIX, che ha l’unità di trascrizione completamente sovrapposta al gene XIST, ma sul filamento opposto. Questo gene viene espresso nelle cellule staminali embrionali indifferenziate e nei primi stati embrionali. Ciò ha fatto nascere l’idea che, all’inizio dell’inattivazione dell’X, TSIX possa controllare in cis l’espressione di XIST.

Altri fenomeni genetici

Anticipazione

L’anticipazione è un caso particolare di espressività variabile. Consiste nella tendenza di alcune malattie a trasmissione autosomica dominante a manifestarsi in modo più grave e precoce nelle generazioni successive rispetto alle precedenti.

Influenza isoallelica

L’influenza isoallelica su fenotipi dominanti con penetranza ridotta o con espressività variabile. Un fenotipo patologico autosomico dominante può variare anche per effetto di varianti funzionalmente significative dell’allele selvatico in trans (isoallele). Alcuni isoalleli possono determinare ridotta penetranza annullando l’allele mutante. Di conseguenza nella determinazione del fenotipo interviene non solo l’allele trasmesso dal genitore affetto, ma anche quello proveniente dal genitore sano.

Eterogeneità genetica

L’eterogeneità di locus è un fenomeno per cui malattie clinicamente uguali sono dovute a mutazioni in geni diversi. Il fenotipo può essere molto lontano dal gene e dal suo prodotto primario in quanto esso risulta dall’interazione di prodotti genici. Uno stesso fenotipo può mostrare tipi di ereditarietà diversa: questo immediatamente segnala la presenza di più loci. Sono esempi le alterazioni del collagene di tipo 1: ci sono 2 loci dal momento che questo collagene è formato da un eterotrimero; il fenotipo viene comunque identificato come Osteogenesi imperfetta.

Un particolare caso di eterogeneità di locus è l’ereditarietà digenica, fenomeno per il quale il fenotipo dipende da alleli mutanti a due diversi loci. In generale, le interazioni fra geni coinvolti nell’eredità digenica possono essere classificate in due categorie principali: 1) eredità digenica con effetto sinergico, in cui le mutazioni nei due geni coinvolti agiscono insieme nella determinazione del fenotipo; 2) eredità digenica con effetto additivo, in cui la mutazione nel primo gene è sufficiente a determinare il fenotipo, ma la presenza di una mutazione nel secondo gene ne rende le manifestazioni cliniche più gravi.

L’eterogeneità allelica è un fenomeno per il quale fenotipi diversi possono essere originati da mutazioni in siti diversi dello stesso gene o da tipi diversi di mutazione. Un esempio è l’ipercolesterolemia familiare, causata da mutazioni diverse a carico del gene del recettore per le LDL: sono state identificate mutazioni non senso, inserzioni, delezioni, etc.

Pleiotropia

La pleiotropia si verifica quando un gene si manifesta in una varietà di effetti fenotipici, anomalie morfologiche, biochimiche, fisiologiche o chimiche multiple. Nelle sindromi pleiotropiche è difficile identificare una via metabolica mutata per i diversi fenotipi; un esempio è la sindrome di Marfan.

Imprinting genomico

L’imprinting genomico consiste in un’espressione uniparentale di determinate regioni geniche, per cui si esprime il gene su uno solo dei due omologhi della coppia. In tutti i tessuti in cui il gene viene espresso, è repressa drasticamente l’espressione o dell’allele ereditato dal padre, o di quello ereditato dalla madre, il che determina un’espressione monoallelica. L’espressione del carattere genetico varia a seconda se sia stato trasmesso l’allele materno o paterno, per cui dipende dal genitore che li ha trasmessi.

Genetica di popolazione

La genetica di popolazione studia l’ereditarietà di caratteri determinati da uno o pochi geni in una popolazione mendeliana, ossia un gruppo di individui di una stessa specie in una data area i cui membri possono accoppiarsi e che quindi condividono un insieme di alleli (pool genico). La struttura genetica di una popolazione viene espressa in termini sia di frequenza allelica che genotipica.

La frequenza genotipica è la proporzione di un dato genotipo nella popolazione. Per calcolare la frequenza genotipica basta contare gli individui con un certo fenotipo e dividere per il totale degli individui. La somma dei diversi genotipi deve essere = 1. È più vantaggioso descrivere il pool genico in termini di frequenza degli alleli.

La frequenza allelica è la proporzione relativa di un dato allele in una popolazione.

Legge di Hardy-Weinberg

La legge di Hardy-Weinberg afferma che in una popolazione panmittica all’equilibrio, che non presenti selezione, mutazione, migrazione e che sia composta di un numero elevato di individui, il rapporto tra gli alleli e tra i genotipi è costante da una generazione all’altra. Consideriamo una popolazione il cui pool genico contiene gli alleli A e a e indichiamo con p la frequenza dell’allele A e q la frequenza dell’allele a. La somma degli alleli deve essere: p + q = 1. La loro distribuzione casuale sarà AA + 2Aa + aa, 2p^2 + 2pq + q^2.

Dalla legge di Hardy-Weinberg deriva che:

• Le frequenze alleliche non cambiano da una generazione all’altra.
• Le frequenze genotipiche all’equilibrio non cambiano.
• Le frequenze genotipiche all’equilibrio si raggiungono in una generazione.

La verifica delle proporzioni di Hardy-Weinberg richiede:

1. Calcolo delle frequenze genotipiche reali.
2. Determinazione delle frequenze genotipiche attese secondo le leggi di Hardy-Weinberg.
3. Uso del test del χ² per verificare se lo scostamento dei valori osservati da quelli attesi è dovuto al solo caso (p>0,05).

L’equilibrio di Hardy-Weinberg è valido solo se:

• La popolazione in esame è infinitamente grande.
• Non c’è flusso genico (cioè non c’è movimento di individui fra popolazioni diverse).
• Non c’è mutazione.
• L’accoppiamento è casuale.
• Non c’è selezione (i diversi genotipi hanno uguale fitness per il carattere in esame).