Genetica umana

Il DNA nell'essere umano

L'essere umano possiede all'interno delle cellule il DNA che si avvolge su se stesso costituendo i cromosomi. La maggior parte del DNA si trova a livello del nucleo e una parte del DNA si trova all'interno dei mitocondri; quest'ultimo è di derivazione materna. Le mutazioni del DNA mitocondriale sono causa di problemi di intensità abbastanza elevata. La doppia elica si avvolge intorno a delle proteine, dette istoni, con spiralizzazione estrema fino alla formazione del cromosoma.

Struttura e basi azotate

La struttura di base del DNA prevede un gruppo fosforico, il deossiribosio e la base azotata. Esistono quattro diversi tipi di basi azotate: adenina, guanina, timina e citosina. I legami tra le basi azotate sono estremamente specifici in quanto l'adenina si lega esclusivamente con la timina e la guanina con la citosina. La doppia elica è costituita da legami ad idrogeno tra le basi azotate.

Esame cromosomico

L’esame cromosomico viene anche definito cariotipo, il quale in caso di normalità (sia in sesso maschile che femminile) deve avere 46 cromosomi i quali sono suddivisi in 23 coppie. Si parla di autosomi riferendosi ai cromosomi appartenenti alle prime 22 coppie di cromosomi.

Geni e mutazioni

Un gene presenta un promotore, ovvero colui che regola la trascrizione del gene, delle sezioni di gene vero e proprio (ovvero gli esoni) intervallate da introni. Dal DNA mediante la trascrizione si ha la formazione di mRNA con la perdita degli introni. L'mRNA passa la barriera nucleare e va nel citoplasma dove avviene la traduzione. Attraverso i ribosomi si ha il riconoscimento dei codoni con produzione della proteina mediante i vari aminoacidi.

Quando si trova una mutazione nel DNA di un paziente non è sempre facile sostenere l'importanza della mutazione: è necessario capire se la specifica mutazione andrà a interferire sui passaggi della trascrizione e della traduzione del DNA. Per questo esistono programmi informatici che cercano di riprodurre il processo per comprendere quali siano le effettive cause. Non tutte le mutazioni sono clinicamente importanti, spesso esse non danno una vera e propria malattia.

Codice genetico

Il codice genetico viene letto a triplette o codoni e si ha una corrispondenza tra una certa tripletta e l'aminoacido associato. La timina non è presente nel codice, in quanto nel RNA è presente l'uracile al posto della timina. Le triplette possibili sono 64 e gli aminoacidi sono 20: ne risulta che più codoni corrispondono a un aminoacido. Alcune triplette, ovvero AUG (codone d'inizio) e AUG, UAA e UAG (codoni di stop) non codificano per aminoacidi.

Nel caso di una mutazione si può incorrere in una mutazione silente, ovvero la mutazione è un codone che codifica per lo stesso aminoacido per cui codificava il codone di partenza non mutato, o in una mutazione missenso, con cambiamento dell'aminoacido codificato, o in una mutazione senza senso, ovvero con la presenza di un codone di stop che interrompe la catena.

Replicazione del genoma

La replicazione fedele del DNA permette di trasmettere inalterata l'informazione genetica di cellula in cellula (riproduzione cellulare) e di generazione in generazione (riproduzione sessuale). Per mitosi si intende la riproduzione cellulare che dà origine alle cellule somatiche, mentre per meiosi si intende la generazione delle cellule germinali.

I due tipi di riproduzione presentano una fase identica di duplicazione di DNA, mentre differiscono nei processi di divisione attraverso cui il materiale duplicato viene ripartito nelle cellule figlie. La duplicazione del DNA è semi-conservativa: i due filamenti della doppia elica si separano e fungono ciascuno da stampo per la sintesi di una nuova catena. Quindi le due nuove molecole figlie che si vengono a formare sono costituite ciascuna da un filamento originario e da uno neopolimerizzato.

Mitosi

Si tratta del processo attraverso cui la cellula somatica diploide (2n, ovvero con 46 cromosomi) si duplica dando origine a due cellule figlie con corredo genetico identico alla cellula madre diploide. La fase di preparazione prende il nome di interfase durante la quale avviene anche la duplicazione del DNA. Seguono poi la profase, la prometafase, la metafase, l'anafase, la telofase e la citodieresi. La metafase è la fase in cui i cromosomi si organizzano nella zona centrale della cellula, ovvero la piastra equatoriale, e in cui il DNA è maggiormente condensato e quindi osservabile a microscopio.

Meiosi

Meccanismo che è alla base della gametogenesi, la quale è il processo che dà origine alla formazione delle cellule germinali (spermatozoo o oocita) che contengono un numero aploide (n) di cromosomi. Prende il nome di spermatogenesi, se dà origine a spermatozoi, o ovogenesi, se dà origine agli oociti. La meiosi presenta il meccanismo particolare che è il crossing over, che è un meccanismo per cui si ha uno scambio di DNA tra cromosomi. I due cromosomi si avvicinano e si scambiano del materiale durante la fase diplotene della profase I, garantendo la variabilità genetica. Altro elemento fondamentale è che alla fine si ha la formazione di quattro cellule con corredo aploidale.

Variabilità genetica e meiosi

Il riassortimento dei caratteri genici si realizza attraverso due meccanismi:

• Ricombinazione (riassortimento dei caratteri tra cromosomi omologhi): ogni omologo di una coppia si appaia con il suo partner. I cromatidi, all'interno della coppia, si scambiano reciprocamente regioni omologhe di DNA. Questo fenomeno comporta la rottura della doppia elica di DNA di ciascuno dei due cromatidi e il ricongiungimento tramite un processo di ricombinazione detto crossing-over.
• Assortimento indipendente degli omologhi paterni e materni: ciascuna coppia di omologhi segrega in maniera indipendente dalle altre, per cui ogni gamete conterrà una diversa mescolanza di cromosomi materni e paterni.

Con la spermatogenesi si vengono a formare quattro spermatozoi, mentre con l'ovogenesi una cellula uovo e tre globuli polari. Nella donna si ha una cellula uovo per ciclo mestruale, mentre nell'uomo si hanno oltre 100 milioni di spermatozoi per eiaculato.

Spermatogenesi e ovogenesi

La spermatogenesi avviene all'interno dei tubuli seminiferi del testicolo, presenta una prima fase di divisioni mitotiche e poi due divisioni meiotiche con la formazione degli spermatozoi. Questo meccanismo dura circa 60 giorni e inizia alla pubertà. Con il passare degli anni le mitosi sono sempre in numero maggiore e ciò porta a un aumento del rischio di mutazioni geniche. Un esempio è l'acondroplasia, che è dovuta a una mutazione di un gene e si è osservato che il rischio di avere bambini con questa malattia aumenta quanto maggiore è l'età del babbo.

L'ovogenesi comincia quando la donna è ancora nell'utero della genitrice. In ogni ciclo mestruale si ha la maturazione di una cellula uovo. Il fattore di rischio per la corretta separazione dei cromosomi appaiati o dei cromatidi fratelli è importante all'aumentare dell'età della donna con conseguente aumento delle probabilità di incorrere in patologie di numero dei cromosomi nella prole (ad esempio la sindrome di Down).

Gene

Con locus si intende la regione cromosomica unica che corrisponde a un gene o a qualche altra sequenza di DNA. Con allele si intende una o più forme alternative di un gene o di una sequenza di DNA. Se un individuo presenta alleli diversi allo stesso locus si tratta di un individuo eterozigote, mentre se presenta due alleli identici ad uno stesso locus prende il nome di omozigote. Il genotipo è la costituzione genica di un individuo o più specificamente gli alleli presenti ad ogni particolare locus.

Una mutazione in passato era un'alterazione della sequenza nucleotidica di una molecola di DNA, attualmente il termine mutazione è in disuso ed è preferito il termine variante. Il polimorfismo è una variazione della sequenza nucleotidica di un gene senza effetto fenotipico ed esiste nella popolazione con una frequenza di almeno 1%.

L'albero genealogico usa una determinata simbologia.

Classificazione delle malattie genetiche

Le malattie genetiche grossolanamente sono distinguibili in malattie:

• Cromosomiche (divisibili in numeriche e strutturali)
• Monogeniche a eredità mendeliana (autosomiche o x-linked)
• Multifattoriali (almeno il 60% delle nostre malattie)
• Geniche a eredità non mendeliana
• Mitocondriali

La prevalenza di malattie genetiche alla nascita è di circa il 3-7% in totale, di cui difetti congeniti per il 2-5%. Congenito significa difetto presente alla nascita.

Eredità mendeliana

I principi ereditati dal sistema Mendeliano sono che i geni sono ereditati in coppia (uno dal padre e uno dalla madre); ogni gene possiede diversi alleli, alcuni dei quali (dominanti) agiscono su altri (recessivi); alla meiosi gli alleli segregano singolarmente ed indipendentemente nei gameti.

Malattie autosomiche dominanti

Le caratteristiche principali delle malattie autosomiche dominanti sono:

• Singola dose dell'allele mutato (Aa) necessaria per trasmettere la patologia.
• Trasmissione verticale dell'allele mutato all'interno dell'albero genealogico.
• Uguale rapporto maschi/femmine che ereditano l'allele mutato.
• Il rischio è del 50% dei figli nati da genitori affetti manifestano la stessa malattia.

Trasmissione verticale significa che generalmente i casi degli affetti sono presenti nelle varie generazioni a partire da nonni, dai genitori. In alcuni casi è possibile una diagnosi prenatale attraverso la villocentesi (durante la 12 settimana di gravidanza) o l'amniocentesi (tra le 16 e le 18 settimane di gravidanza). La villocentesi è il prelievo di una porzione di materiale placentare, mentre l'amniocentesi è il prelievo di liquido amniotico.

Salto di generazione

Per "salto di generazione" si intende il fatto che in un albero genealogico un soggetto, facente parte di una generazione che deriva da un genitore affetto, non presenta la malattia autosomica dominante e genera un figlio malato. Apparentemente si ha un salto di generazione nella manifestazione clinica, ma l'individuo è eterozigote. Il motivo di questo salto apparente si ha in quanto esiste la penetranza incompleta.

La penetranza è un concetto matematico che consiste nella frazione di individui con un dato genotipo (Aa) che manifestano il carattere associato con quel genotipo. Ad esempio l'acondroplasia ha una penetranza del 100%. L'espressività variabile esprime la gravità fenotipica di un certo genotipo nell'ambito di una famiglia. Ad esempio nella distrofia miotonica alcuni pazienti possono avere solo dei sintomi clinici, quali la cataratta, ed altri pazienti con sintomi di maggiore gravità.

Mutazione de novo

Inoltre si può presentare un improvviso caso di patologia da due soggetti sani. Ad esempio l'acondroplasia. Questo tipo di mutazione viene definito "mutazione de novo". Questo si verifica perché:

• Durante la meiosi delle cellule uovo o degli spermatozoi si ha una mutazione casuale. Questo caso viene definito mosaicismo germinale.
• È avvenuta una mutazione nelle prime divisioni dello zigote, ovvero mutazione post-zigotica.

In entrambi i casi il bambino è un classico soggetto con una malattia dominante autosomica. I rischi di ricorrenza sono che se entrambi i genitori sono sani il rischio di malattia è trascurabile: nel caso di mutazione post-zigotica il rischio e la probabilità sono molto bassi, mentre nel caso di mosaicismo germinale di un genitore il rischio e la probabilità sono leggermente più alte (intorno all'1%). Non si può sapere quale dei due meccanismi è avvenuto, per questo nella gravidanza successiva sono necessarie la villocentesi e l'amniocentesi.

Esempi di malattie autosomiche dominanti

Sindrome di Marfan

Si tratta di una malattia genetica che colpisce il tessuto connettivo, ovvero il tessuto che costituisce l'impalcatura del corpo, importante per la struttura e la funzione di quasi tutti i tessuti dell'organismo. I pazienti tendono ad essere alti, hanno spesso dita lunghe e affusolate con articolazioni lasse. La gravità delle manifestazioni cliniche varia da caso a caso. Spesso è presente il piede piatto. Si possono avere anche deformità della gabbia toracica come il petto carenato e il petto escavato, e problemi alla spina dorsale come scoliosi e lordosi di gravità variabile. Un altro difetto frequente è la lussazione del cristallino.

Il dato clinico più significativo avviene a livello cardiovascolare. La dilatazione dell'aorta avviene progressivamente nel tempo e può passare inosservata anche per molti anni. Quando le pareti dell'aorta si allargano (aneurisma aortico), c'è il rischio di rottura, la quale può essere prevenuta da frequenti controlli cardiologici (ecocardiogrammi) ed opportuni interventi chirurgici preventivi. Quando si ha la rottura dell'aorta si ha un violento dolore toracico o alla schiena spesso con perdita di conoscenza.

Dal punto di vista molecolare la complessità di questa patologia è dovuta al fatto che non esiste il gene della sindrome di Marfan, ma è il risultato della mutazione di diversi geni. Per questo l'analisi molecolare complessa con pannelli multigenici è fondamentale. La patologia è causata da alterazione del gene della fibrillina-1 (FBN1) e altri geni. La fibrillina-1 è una glicoproteina che costituisce una componente importante delle fibre elastiche presenti nel tessuto connettivo. Le mutazioni che causano la MFS sono numerose: a tutt'oggi sono note centinaia di diverse mutazioni del gene FBN1 e questo rende particolarmente difficile effettuare una diagnosi genetica per identificare la presenza di una mutazione. Mutazioni nel gene della fibrillina-1 sono responsabili anche di altre malattie come la lussazione isolata familiare del cristallino e, in parte, dell'aneurisma aortico-toracico familiare.

Acondroplasia

Essa è la più comune causa di nanismo dell'uomo con una prevalenza di 1/25000 nati vivi. È caratterizzata da un mancato sviluppo armonico della cartilagine di accrescimento delle ossa lunghe degli arti con quindi gravi disturbi della crescita. La diagnosi avviene in epoca avanzata di gravidanza. Già alla nascita i bambini hanno la testa grande e gli arti corti e tozzi, rispetto al resto del corpo. Presentano inoltre una fronte prominente, la radice del naso infossata, mano e dita corte e tozze ("mano a tridente") e lordosi lombare.

Il gene coinvolto si trova sul cromosoma 4 e contiene l'informazione per produrre la proteina chiamata "recettore del fattore di crescita dei fibroblasti di tipo 3" (FGFR3). Questo recettore, in condizioni normali quando interagisce con la sua molecola segnale cioè l'FGF, esplica il controllo di tipo negativo sulle cellule della cartilagine di accrescimento. Le mutazioni nel gene dell'FGFR3 lo rendono costitutivamente attivato (sono infatti mutazioni definite come "guadagno di funzione"). L'FGFR3 mutato è in grado di segnalare continuamente alla cellula un segnale negativo, col risultato di inibire l'allungamento dell'osso. La penetranza di questa malattia è del 100%, per quanto non esistono portatori sani. Una coppia in cui entrambi i genitori sono affetti da ACP ha 1 probabilità su 4 di concepire un figlio/a affetto da una grave forma di acondroplasia letale alla nascita (ovvero ACP omozigote), una probabilità su quattro di avere figli normali e 1 su 2 di avere un figlio affetto come loro.

Carcinoma mammario e ovarico ereditari (HBOC)

In questa forma i maschi (tumore della mammella maschile e tumore della prostata) hanno un rischio di tumori aumentato, ma più lievi rispetto a quello delle donne (tumore della mammella e tumore ovarico).

Eredità autosomica recessiva

Si tratta di malattie che si trovano collocate su un autosoma e per questo non presentano differenze tra i due sessi. Le loro caratteristiche base sono:

• Sono necessarie due copie dell'allele mutato (aa) per causare la malattia.
• In un incrocio tra due portatori sani (o due eterozigoti) vi è il 25% di rischio di avere figli affetti (rischio riproduttivo).
• Maschi e femmine sono ugualmente affetti.

La consanguineità, ovvero nelle coppie di parenti, ad esempio cugini di primo grado, vi è un aumento di rischio di specie dal 3% al 6%. Con rischio di specie si intende il rischio che ogni coppia ha di avere un bambino con delle problematiche più o meno gravi: in ogni coppia della popolazione il rischio è pari al 3%, mentre una coppia di due cugini primi rischia il 6% di avere un figlio omozigote affetto da qualsiasi tipo di patologia autosomica recessiva. L'aumento di rischio è dovuto all'aumentato rischio di bambini omozigoti per una patologia recessiva.

In queste situazioni si ricercano le patologie recessive studiabili in sede e in tempi brevi, scartando il rischio di patologie più frequenti nel genere umano come la fibrosi cistica, l'atrofia muscolare spinale e l'ipoacusia congenita. L'utilità di questi esami è discutibile in quanto il rischio si abbatte di poco. Nelle malattie recessive si parla di albero genealogico con trasmissione orizzontale della malattia, nel senso che si hanno soggetti affetti che appartengono alla stessa generazione. Per le malattie autosomiche recessive gli eterozigoti sono normali come aspetto fenotipico, ma sono dei "portatori sani" del carattere patologico. Quando un individuo affetto nasce da genitori normali si deve ritenere che entrambi i genitori siano eterozigoti e che, con media statistica: ¼ della prole risulterà affetta.