Genetica umana

Genetica umana

Eredità mitocondriale

I mitocondri sono organelli cellulari presenti negli organismi eucarioti in numero variabile (da poche decine a migliaia), considerati la centrale energetica della cellula. Sono dotati di un DNA proprio, il DNA mitocondriale. Al loro interno avviene la respirazione cellulare, attraverso la quale sono in grado di produrre energia sotto forma di molecole di ATP. La catena della fosforilazione ossidativa è localizzata nella membrana interna dei mitocondri ed è formata da cinque complessi costituiti da più di sessanta subunità, delle quali la maggior parte sono codificate nel nucleo e trasportate nel mitocondrio. 13 di esse, al contrario, sono codificate da geni mitocondriali e le mutazioni a loro carico possono condurre a difetti del metabolismo energetico.

Il DNA mitocondriale, oltre ai 13 peptidi sovracitati, codifica per 22 tRNA e 2 rRNA. I mitocondri, quindi, possiedono ribosomi propri, che permettono al mitocondrio di svolgere una propria sintesi proteica. Il DNA mitocondriale è una molecola circolare di 16.5 kb, presente in numerose copie all’interno di ogni mitocondrio. Il genoma mitocondriale mostra numerose somiglianze con quello dei procarioti: i geni sono privi di introni, il DNA ripetitivo è pochissimo e il più del 90% è codificante; la trascrizione, inoltre, avviene su entrambi i filamenti. Secondo la teoria endosimbiontica, i mitocondri hanno avuto origine da batteri inglobati da cellule eucariotiche primordiali. Non sono mai stati osservati fenomeni ricombinativi nell’mtDNA umano: ciascuna molecola si trasmette invariata alla progenie. Il DNA mitocondriale costituisce un’eccezione all’universalità del codice genetico. I geni dell’mtDNA si trasmettono in un modo particolare chiamato eredità materna. Solo la madre trasmette il carattere a tutti i propri figli, maschi e femmine, ma di questi solo le femmine lo trasmetteranno a loro volta. Questo avviene perché tutti i mitocondri dello zigote sono forniti dalla cellula uovo, mentre quelli dello spermatozoo non partecipano in modo significativo alla fecondazione. Lo zigote, quindi, ha mtDNA materno.

Eteroplasmia

Durante la divisione cellulare, ciascuna molecola di DNA mitocondriale si replica e segrega nelle cellule figlie. Se in una molecola di mtDNA è avvenuta, però, una mutazione, le cellule figlie potranno contenere sia mitocondri wild-type che mutanti in differenti quantità relative. Questo fenomeno prende il nome di eteroplasmia. Nella progenie, il fenotipo mutante si manifesta solo se la quantità di mitocondri mutanti supera un determinato livello soglia. Le patologie mitocondriali mostrano un vasto aspetto di variabilità dell’espressione, sia all’interno di una famiglia che tra famiglie diverse, dovuto all’effetto soglia. Inoltre, le quantità relative di mitocondri normali e mutanti possono variare da tessuto a tessuto e questo spiega in parte le differenze nell’espressione tessuto-specifica.

Le mutazioni nell’mtDNA alterano la normale capacità di attuare una efficiente fosforilazione ossidativa. Le malattie mitocondriali generalmente, perciò, interessano muscoli, cervello, organi di senso, data la maggior richiesta di energia di questi tessuti. Tra le patologie dovute a mutazioni dell’mtDNA, ricordiamo la neuropatia ottica ereditaria di Leber (LHON). È una malattia neurodegenerativa del nervo ottico, che spesso si caratterizza per una perdita improvvisa della vista nei giovani adulti. L’epilessia mioclonica a fibre stracciate (MERRF), invece, è una delle patologie dovute a mutazioni dei geni mitocondriali codificanti tRNA. I pazienti, di solito, presentano epilessia durante l'adolescenza o all'inizio della vita adulta, in associazione, talvolta, a sordità, debolezza muscolare e demenza.

Tuttavia, poiché il mitocondrio è controllato anche dal DNA nucleare, mutazioni di quest’ultimo, allo stesso modo, possono provocare patologie. Il 90% delle proteine mitocondriali, infatti, sono espressione di geni nucleari, dei quali i prodotti proteici sono componenti strutturali della catena respiratoria. Tra le patologie dovute a mutazioni di questi geni ricordiamo:

• Il deficit isolato del complesso I, caratterizzato da diversi segni clinici, tra i quali ricordiamo la sindrome di Leigh, una leucodistrofia (gruppo di malattie ereditarie che colpiscono il sistema nervoso) che si manifesta dalla prima infanzia, caratterizzata da interruzione dello sviluppo psicomotorio, con morte entro uno o due anni dalla nascita.
• Il deficit del complesso II, difetto che può dare diversi quadri clinici, tra i quali, di nuovo, la sindrome di Leigh e il paraganglioma ereditario, tumore neuroendocrino raro.
• Il deficit di coenzima Q10, una rara malattia che può presentarsi in tre diverse forme. In alcuni casi essa interessa in modo generalizzato tutti gli organi del corpo, ma si manifesta soprattutto con una patologia renale. Una seconda forma colpisce soprattutto il cervelletto e si manifesta con difficoltà a camminare e a coordinare i movimenti o con convulsioni. La terza forma, invece, colpisce i muscoli e si manifesta con debolezza muscolare.

La determinazione del sesso

Nella specie umana il sesso maschile è eterogametico, perché definito da due cromosomi diversi, il sesso femminile, invece, è omogametico. Alcune specie presentano situazioni diverse: negli uccelli, per esempio, la situazione è invertita. In alcuni rettili è la temperatura a cui l’uovo fecondato è incubato a determinare il sesso. Nell’uomo, fino all’ottava settimana di vita, l’embrione è sessualmente neutro. Verso la nona settimana si differenziano le gonadi maschili o femminili, a partire da una gonade indifferenziata bipotente. La presenza sul cromosoma Y del gene SRY, che codifica per il fattore TDF, induce il differenziamento della gonade in testicolo, altrimenti la gonade darà origine all’ovaio. I testicoli secernono androgeni, ormoni mascolinizzanti come il testosterone e il diidrotestosterone (DHT), che inducono la determinazione secondaria del sesso in senso maschile. Quando gli androgeni sono assenti si sviluppano tratti secondari femminili.

Mutazioni nei geni che concorrono a determinare il fenotipo sessuale possono creare incongruenze tra il genotipo e il fenotipo sessuale. Nel caso di mutazioni nel gene del recettore degli androgeni, AR, localizzato sul braccio corto del cromosoma X, lo sviluppo procede, anche in un individuo XY, come se gli androgeni non fossero presenti. Si formano i testicoli ma, a causa dell’assenza del recettore i genitali esterni si sviluppano in senso femminile. Individui di questo tipo sono geneticamente maschi e fenotipicamente femmine. Si parla di pseudoermafrodismo. La mutazione in esame è recessiva e molto rara.

I cromosomi X e Y

Il cromosoma X è molto grande, submetacentrico, contenente molti geni, la maggior parte dei quali sono estranei al sesso. Y è molto più piccolo e acrocentrico. Esistono molti geni omologhi tra X e Y ma Y spesso contiene uno pseudogeni: sequenze nucleotidiche simili a geni ma prive di espressione all’interno della cellula. Le regioni pseudoautosomiche, PAR1 e PAR2, sono sequenze di nucleotidi omologhe sui cromosomi X e Y, essenziali per il loro appaiamento durante la meiosi maschile. Sono così chiamate perché i geni al loro interno sono ereditati come qualsiasi altro gene autosomico.

Il cromosoma Y è acrocentrico e molto più piccolo dell’X. I geni attivi sull’Y sono solo 83, la maggior parte dei quali sono legati alla determinazione del sesso e alla spermatogenesi. Il gene SRY si trova vicino alla regione PAR1. Il crossing over tra X e Y è importante per una corretta segregazione ma in alcuni casi può esserci uno scambio ineguale che può causare anomalie nella determinazione del sesso. Se il gene SRY passa sull’X, infatti, si potranno produrre gameti con X e, alla fecondazione, individui geneticamente femmine ma fenotipicamente maschi. Analogamente, si potranno avere gameti Y, che potranno dare origini a individui geneticamente maschi ma fenotipicamente femmine.

Uno dei geni con omologia è il gene che serve alla sintesi dello smalto dei denti: AMELX sul cromosoma X e AMELY sull’Y. AMELX, situato nell’introne 1, ha una delezione di 6 bp rispetto ad AMELY. Gli individui di sesso femminile, essendo omozigoti per la delezione sul gene AMEL, presenteranno un solo prodotto di amplificazione di 106 bp. Gli individui di sesso maschile, essendo eterozigoti per la delezione, presenteranno due prodotti di amplificazione, uno di 106 bp, relativo al gene AMELX, e uno di 112 bp, relativo al gene AMELY. Questo fa sì che i due geni siano distinguibili all’elettroforesi: il maschio presenta due bande, la femmina una sola. AMEL, per questo motivo, viene utilizzato in genetica forense per l’identificazione del sesso.

L’evoluzione del cromosoma Y

Si pensa che all’inizio i cromosomi sessuali fossero due autosomi identici. Su uno di essi emerse, successivamente, un gene determinante il sesso (SRY nell’uomo) e vicino ad esso se ne concentrarono altri con funzione simile. Questo portò ad una riduzione dell’omologia tra i due predecessori dei cromosomi sessuali ed una conseguente riduzione del crossing-over. Secondo il Muller’s ratchet, senza crossing-over le mutazioni si accumulano. L’accumulo sull’Y di geni non funzionanti ha portato al rimpicciolimento del cromosoma stesso.

La ricombinazione del cromosoma Y

Il sequenziamento del cromosoma Y ha mostrato che ci sono numerose regioni omologhe al suo interno. Queste regioni si comportano da “alleli” e tra di loro avviene uno speciale crossing-over, la conversione genica. Questo processo consiste in uno scambio unidirezionale di informazioni tra sequenze simili, in cui un tratto viene utilizzato come modello per riparare o correggerne un altro. Sull’Y ci sono otto grandi sequenze palindrome; una sequenza palindromica è una regione della struttura primaria del DNA costituita da due successioni di basi ripetute ed invertite. Ogni gene in questa regione è quindi ripetuto. Questo aggira il Muller’s ratchet: se la mutazione inattiva una copia del gene, c'è un'altra copia buona. I geni in questi palindromi sono tutti coinvolti nella spermatogenesi. Il cromosoma Y, quindi, ha ricombinazione normale con il cromosoma X e ricombinazione al suo interno.

Daltonismo

Sulla retina ci sono i fotorecettori, neuroni specializzati. La luce che arriva sul fondo dell'occhio viene tradotta in segnali bioelettrici che giungono al cervello attraverso il nervo ottico. La rodopsina è la molecola sensibile alla luce. È composta da una proteina, l’opsina, che lega al suo interno il retinale, una piccola molecola fotosensibile.

La retina contiene due tipi fotorecettori, i bastoncelli e i coni. I bastoncelli sono sensibili alle differenze di intensità della luce: non possono distinguere le diverse lunghezze d'onda della luce (colori). Sono usati per la visione notturna perché più sensibili alla luce bassa. I coni, invece, permettono la distinzione dei colori. Sono di tre tipi differenti: i coni L percepiscono la lunghezza lunga della luce, quindi il rosso (long-wavelength opsin), i coni M la lunghezza media della luce, quindi il verde (medium-wavelength opsin), i coni S la lunghezza breve della luce, quindi il blu (short-wavelength opsin). Le opsine sopracitate sono codificate da tre geni diversi: OPN1LW, OPN1MW e OPN1SW. OPN1LW e OPN1MW sono disposti in tandem sul cromosoma X; OPN1SW, invece, si trova sul cromosoma sette. OPN1LW e OPN1MW sono quasi uguali tra loro, condividendo oltre il 98% di identità di sequenza nucleotidica, mentre condividono solo il 40% di identità di sequenza nucleotidica con OPN1SW.

Il daltonismo in molti casi è dovuto a crossing-over ineguale tra i geni OPN1LW e OPN1MW. Icrossing-over ineguali possono essere intragenici o intergenici, causando i vari tipi di daltonismo noti. Un soggetto con normale visione dei tre colori viene detto con tricromazia normale. Un soggetto con tricromazia anomala, invece, vede debolmente uno dei tre colori primari. Si distingue: la protanomalia (difetto del cono L, visione del rosso debole), la deuteranomalia (difetto del cono M, visione del verde debole) e la tritanomalia (difetto del cono S, visione del blu debole). Un soggetto con una visione a due colori viene detto dicromatico. In questo caso, un tipo di cono è totalmente assente o non funzionale. Si parla di protanopia quando è assente il cono L, di deuteranopia quando è assente il cono M e di tritanopia quando è assente l’S. Un soggetto con visione senza colore, invece, viene detto monocromatico (nessun cono funzionante). Vede solo sfumature di grigio.

A monte dei geni OPN1LW e OPN1MW esiste una regione di controllo, il locus LCR, che agisce come promotore dell’espressione dei due geni. In assenza di questo, OPN1LW e OPN1MW non vengono espressi. Inoltre, LCR assicura che solo uno dei due geni (rosso o verde) sia espresso esclusivamente in ogni cono. L’eliminazione dell’LCR può causare un raro difetto visivo ereditario noto come BCM (blu cono monocromazia), caratterizzato dall'assenza di coni L e M funzionali. Circa il 40% dei soggetti affetti da BCM sono geneticamente caratterizzati, infatti, dall’assenza dell’LCR. Alcuni individui affetti, invece, presentano gravi mutazioni geniche sul cromosoma X.

Deficit di glucosio 6 fosfato deidrogenasi (G6PD)

È il difetto enzimatico più comune al mondo, e un carattere X-linked recessivo. L'enzima G6PD è parte della via dei pentoso fosfati, un processo metabolico citoplasmatico, parallelo alla glicolisi, in grado di generare NADPH e convertire zuccheri esosi, a 6 atomi di carbonio, in pentosi. Il G6PD catalizza, infatti, l'ossidazione del glucosio-6-fosfato e la riduzione di nicotinammide adenindinucleotide fosfato (NADP) a nicotinammide adenin dinucleotide fosfato ridotta (NADPH). NADPH mantiene glutatione, un tripeptide, nella sua forma ridotta, GSH, una molecola necessaria per neutralizzare i radicali liberi. I radicali liberi sono molecole ossidanti prodotte dal metabolismo dell'ossigeno, dunque dalla respirazione. Hanno uno o più elettroni spaiati e questa caratteristica li rende altamente reattivi. Per raggiungere la stabilità, infatti, sottraggono un elettrone da altre molecole, ossidandole. La via dei pentoso fosfati è l'unica fonte di NADPH nei globuli rossi che, quindi, dipendono direttamente dall'attività dell’enzima G6PD, risultando, perciò, più sensibili agli stress ossidativi rispetto alle altre cellule.

La gran parte degli individui affetti da deficit di G6PD è asintomatica. I pazienti sintomatici sono quasi esclusivamente maschi, per via dell'ereditarietà correlata al cromosoma X. Questi individui possono andare incontro ad emolisi intravascolare, in seguito ad un eccessivo stress ossidativo a cui non riescono a far fronte. Lo stress ossidativo può essere determinato da infezioni, farmaci o ingestione di fave. Le fave, infatti, contengono alti livelli di vicina, divicina, convicina e isouramil, tutte sostanze che creano ossidanti. Riducono, infatti, l’ossigeno ad acqua ossigenata, che è un forte agente ossidante. L’emolisi produce la bilirubina, che ad alte concentrazioni nel sangue dà luogo ad ittero. Il favismo, quindi, non è un’allergia causata da una reazione del sistema immunitario.

Il gene della G6PD è situato sul cromosoma X, nella regione Xq28, vicina al telomero, ed è costituito da 13 esoni e 12 introni. Sono note numerose mutazioni del gene della G6PD: la mutazione Med, mediterranea, è quella comune in Sardegna, ed è associata ad una grave carenza enzimatica. Tale mutazione è determinata da una sostituzione nucleotidica nella posizione 563, che causa una sostituzione della serina con la fenilalanina nella posizione 188 della proteina. Studi sulla distribuzione dell’allele mutante in Sardegna hanno mostrato che la sua frequenza risulta maggiore in pianura, dove era più frequente la malaria, perché conferiva ai portatori un vantaggio nei confronti dell’infezione.

Probabilità e leggi di Mendel

La probabilità che si verifichi un evento è data da: il numero di eventi favorevoli/totale eventi possibili equiprobabili. I valori di probabilità variano da 0 ad 1. La somma delle probabilità di tutti gli eventi possibili è 1.

• Regola del prodotto: Dati due eventi indipendenti, la probabilità che si verifichino contemporaneamente è data dal prodotto delle singole probabilità. Esempio: probabilità che, lanciando due dati, escano due quattro: 1/6 x 1/6 = 1/36.
• Regola della somma: La probabilità che si verifichino due o più eventi alternativi è pari alla somma delle singole probabilità. Esempio: probabilità che, lanciando un dado, escano un tre o un quattro: 1/6 + 1/6 = 1/3.

Dato un particolare incrocio, è possibile predire la probabilità con cui viene prodotto un particolare tipo di progenie utilizzando le leggi della probabilità sopracitate. Esempio: Dato un incrocio Aa x Aa, qual è la probabilità che nasca un figlio aa? (1/4) Qual è la probabilità che nasca un figlio con fenotipo dominante? (3/4) Qual è la probabilità che un figlio di fenotipo dominante sia omozigote? (1/3)

Mendel fu il primo ad applicare la statistica e il calcolo delle probabilità allo studio dell'ereditarietà biologica. Attraverso i suoi famosi esperimenti con le piante di pisello, il padre della genetica formulò le due leggi note. Egli...