Genetica umana

Lezione 1: Malattie genetiche

Panoramica delle malattie genetiche

Il 25% dei pazienti in età pediatrica ha malattie genetiche ereditarie. Queste possono avere sia esordio precoce che tardivo. Generalmente, quelle precoci sono più gravi e possono anche essere letali (aborti spontanei). Hanno una frequenza e un'incidenza diversa a seconda delle popolazioni, variando secondo l'età in cui si sviluppano e la gravità della malattia.

Tipi di malattie genetiche

Malattie multifattoriali = componente ambientale + genetica, sono di solito poligeniche.

Malattie mendeliane = monogeniche.

Malattia genetica = ha una componente genetica.

Malattia congenita = presente alla nascita e può non avere cause genetiche.

Diagnosi

A seconda della patologia, la diagnosi può essere fatta in età neonatale, prenatale o adulta. Serve come prevenzione e analizza lo sviluppo della malattia nella famiglia. Serve per:

• Identificare la presenza di geni-malattia
• Individuare diversità tra individui che influiscono sulla gravità della malattia

Farmacogenomica

Analizzare i geni coinvolti nella risposta ai farmaci (terapia personalizzata).

Consulenza genetica

Ricostruire la storia genetica della famiglia per identificare individui malati e l'età di insorgenza della malattia. Realizza un albero genealogico e valuta il rischio per il paziente di contrarre la malattia.

Test genetici

• Per malattie monofattoriali (causate da un gene mutato)
• Diagnostici: identificare mutazioni sul gene
• Identificare i portatori sani (malattia è recessiva) = probabilità di figlio malato
• Test pre-clinici: fatti prima che ci siano sintomi
• Test di suscettibilità: predisposizione del soggetto a contrarre malattia
• Studio della variabilità individuale: come la malattia si manifesta negli individui
• Farmacogenetica: identificare i farmaci più adatti

Screening genetico

Si esegue per trovare eventuali malattie a prescindere dalla storia familiare e dallo stato clinico, e per stabilire la probabilità di sviluppare malattie. È fatto per poter iniziare a trattare l'eventuale malattia fin da subito. Anche le reazioni avverse ai farmaci possono essere associate a specifici alleli.

Indagine genetica

• Analisi del cariotipo (microscopio o FISH)
• Genetica somatica: studia proteine e geni (sviluppata nella genetica molecolare)
• Modelli animali: per dimostrare correlazione tra mutazione e malattia
• Microarray: analizzare mutazioni e espressione dei geni
• Next generation sequencing: sequenziare rapidamente interi genomi
• Database online: contengono molte informazioni su geni, proteine, ecc.; raccolgono informazioni sulla variabilità del genoma umano

Genoma umano

Il genoma umano ha 3,5 miliardi di basi (aploide) (3 Gb): materiale genetico comparato nel nucleo = cromatina. Il 1-2% è codificante proteine (esoma). Il 25% è formato da geni (introni + esoni). Il 75% è DNA extragenico (zone regolatorie/sequenze uniche e ripetute). Mutazioni di queste zone causano problemi, ma anche evoluzione. Spesso vengono metilate per renderle stabili.

Sequenziamento del genoma umano

Il primo sequenziamento del genoma umano ha evidenziato:

• Regioni ricche di geni = blocchi di G e C
• Regioni povere di geni = blocchi di A e T
• Geni di solito disposti a caso lungo il genoma (ampie regioni non codificanti intergeniche)
• Adiacenti ai geni: CpG islands, regolano l’espressione genica (metilazione delle citosine)

Bande G e cariotipo

Il bandeggio G evidenzia centromero e telomeri (zone più o meno compatte). Il cariotipo è la ricostruzione dei cromosomi di un individuo (in metafase).

Anomalie cromosomiche

Le anomalie costituzionali coinvolgono tutte le cellule di un individuo. Le anomalie somatiche insorgono in un particolare tessuto (mosaico genetico). Più è precoce, più saranno le cellule coinvolte. Le anomalie cromosomiche possono essere:

• Di numero: Aneuploidie = trisomie (un cromosoma in più), monosomie (un cromosoma in meno)
• Triploidie (3n) o tetraploidie (4n): incompatibili con la vita

Cause: non disgiunzione in meiosi I (influenzata dall’età materna) o meiosi II, ritardo anafasico: ritardata migrazione del cromosoma durante l’anafase (mancata incorporazione di un cromosoma nel nucleo figlio). Dopo la nascita e il differenziamento, alcuni tessuti diventano tri-tetraploidi per motivi funzionali (per produrre più enzimi, es: fegato) ma sono comunque casi rari. Di struttura: traslocazioni (reciproche), inversioni, delezioni e duplicazioni.

Anomalie bilanciate e sbilanciate

• Anomalie bilanciate: non si sviluppa un fenotipo anomalo/patologico, non sono stati interrotti geni/regioni regolatorie e quindi non viene persa informazione genetica. I gameti però possono essere sbilanciati e causare aborti ripetuti. Un’anomalia bilanciata nei genitori può causare anomalie sbilanciate nei figli.
• Anomalie sbilanciate: correlate con fenotipo anomalo. Es: traslocazione reciproca tra due cromosomi può causare anomalia bilanciata se entrambi i cromosomi mantengono il centromero, anomalia sbilanciata se lo scambio coinvolge il centromero (un cromosoma dicentrico e uno acentrico: il fuso o lo rompe o non si lega). I gameti di quella bilanciata saranno: 50% sani o bilanciati (vitali), 50% sbilanciati (abortivi).

Traslocazione Robertsoniana

Tra cromosomi acrocentrici, hanno il centromero molto spostato verso un'estremità. Estremità corte perse: si forma un cromosoma dicentrico dall’unione delle estremità lunghe. Il portatore non ha danni: quelle estremità le ha su molti altri cromosomi (cellule normali) ma solo 1/3 dei gameti saranno normali o bilanciati.

Disomia uniparentale

Due cromosomi dallo stesso genitore causano problemi se c’è imprinting.

Imprinting: geni spenti nella madre e attivi nel padre o viceversa, meccanismi epigenetici.

Manifestazione di anomalie cromosomiche

La manifestazione è proporzionale all’età materna (ovociti bloccati in metafase I a lungo) e inversamente proporzionale all’epoca gestazionale (+ precoce = + grave = + abortivi). Le anomalie possono essere anche negli spermatozoi (sia numeriche che strutturali). Le anomalie cromosomiche sono nel 10% degli spermatozoi e nel 25% degli ovociti.

Aneuploidie compatibili con la vita

• Trisomia 21: Down
• Trisomia 18: Edwards
• Trisomia 13: Patau
• Monosomia cromosomi sessuali X0: Turner

Citogenetica

• Classica: per riarrangiamenti cromosomici fino a 30 Mb
• Molecolare: sonde per evidenziare regioni di cromosomi non compatti (Kb)

Patologie mitocondriali

Legate a geni sugli autosomi che colpiscono funzioni mitocondriali.

Polimorfismi

Variazioni genetiche di singole basi o porzioni più grandi, hanno una frequenza elevata nella popolazione, almeno dell’1%. Solitamente non hanno conseguenze patologiche.

SNP: variazioni di un singolo nucleotide (n° proporzionale alla lunghezza del cromosoma). Variazioni del n° di copie di una regione: sia funzionali che patologiche.

Lezione 2: Studio del genoma

Progetto HapMap

Studia come i polimorfismi sono diffusi nelle popolazioni. Prima analizza solo i genomi sequenziati dal progetto genoma (circa 2 milioni di varianti). Più campioni analizzati, più varianti trovate - frequenti nella popolazione.

Progetto 1000 Genomi

Sequenziamento su larga scala per trovare nuovi polimorfismi. Polimorfismo legato a una funzione diffusa non può essere legato a malattia poco diffusa. Alcune varianti sono specifiche di un continente, una popolazione o un individuo (de novo).

Progetto 100.000 Genomi

Coinvolge soggetti portatori di malattie genetiche/cancro.

ENCODE

Studio per determinare la funzione delle regioni del genoma.

Pseudogeni

Geni non più funzionanti: non trascrivono o trascrivono prodotti non funzionali.

Malattie mitocondriali

Non mendeliane (non seguono segregazione familiare). Il mitocondrio è trasmesso per via materna (carattere trasmesso dalla madre a tutti i figli). Non è forzatamente la prole sarà malata: dipende da quanto genoma è mutato. Il genoma mitocondriale (mtDNA) ha solo 37 geni (meno del crom. Y). Ci sono circa 1500 geni nucleari che codificano per proteine mitocondriali.

Malattie poligeniche

L’espressione di più geni determina il fenotipo malato.

Malattie multifattoriali

Influiscono sia più geni che fattori ambientali.

Malattie monogeniche

Sono:

• Autonomiche dominate o recessive
• X-linked dominate o recessive
• Y-linked

Queste sono malattie mendeliane (spesso monofattoriali: o fattori genetici o fattori ambientali).

Locus e alleli

• Locus: posizione di un gene sul cromosoma
• Allele: forme alternative di un gene (anche le forme mutate)

Terminologia genetica

• Omozigote: 2 alleli uguali su un locus
• Eterozigote: 2 alleli diversi su un locus
• Eterozigote composto: 2 alleli entrambi mutati (mutazioni diverse)
• Portatore sano: eterozigote fenotipicamente sano
• Probando: individuo da cui si scopre la presenza della malattia nella famiglia
• Genotipo: costituzione genetica di un individuo
• Fenotipo: caratteristica osservabile di un individuo/cellula
• Dominante: è sufficiente una copia mutata del gene per avere la malattia
• Recessivo: fenotipo che si esprime solo nell’omozigote
• Codominanza: entrambi gli alleli manifestano il loro fenotipo nell’eterozigote

Malattie dominanti

Causate da:

• Aploinsufficienza: in eterozigosi il 50% dei geni sani (corredo aploide) non riesce a mantenere un fenotipo normale. Basta una copia mutata del gene per far sviluppare la malattia (es: ipercolesterolemia, difetto nel recettore per LDL).
• Eccesso di funzione: sovraespressione di un gene e quindi della proteina. La sovraespressione è causa di fenotipo malato (es: malattia di Charcot-Marie-Tooth, duplicazione errata del DNA, 3 copie).
• Dominante negativo: prodotto mutato inibisce/interferisce la funzione di quello sano, di solito nelle proteine multimeriche (es: osteogenesi imperfetta, 1 delle 3 catene del collagene I mutata).

Malattie recessive

Di solito sono mutazioni che causano perdita di funzione.

Aplosufficienza: il 50% del prodotto è sufficiente a svolgere una funzione normale. Omozigoti affetti: non producono proteina o la producono mutata (es: anemia falciforme).

Eredità monofattoriale

• Autonomica dominante: si manifesta in egual misura nei due sessi. Un individuo affetto di solito ha almeno un genitore affetto. Individui non affetti non trasmettono la malattia. Un figlio di un affetto ha il 50% di probabilità di essere affetto. La malattia è probabilmente presente in tutte le generazioni.
• Autonomica recessiva: si manifesta in egual misura nei due sessi. Gli affetti sono omozigoti; di solito figli di portatori sani. Malattia rara = è probabile che l’affetto sia figlio di consanguinei. Individui affetti e non affetti = solo gli eterozigoti sani.
• X-linked dominante: femmine affette il doppio delle volte dei maschi. Padri affetti = tutte le figlie femmine affette, i figli maschi no. Femmine spesso affette più lievemente, con più variabilità (per l’inattivazione del cromosoma X o Lyonizzazione). Spesso letale nei maschi emizigoti.
• X-linked recessiva: colpisce più frequentemente i maschi. Maschio malato e genitori sani = mamma portatrice sana. Non è trasmessa da padre a figli. Le femmine portatrici sono sane.
• Y-linked: solo maschi affetti (trasmissione padre-figlio). De novo: figlio malato, padre sano ma i suoi gameti sono mutati.

Variabilità trasmissione/espresione genica

• Penetranza: probabilità che un genotipo faccia esprimere un fenotipo.
• Penetranza incompleta: soggetti portatori della mutazione che non esprimono fenotipo malato. Il carattere si manifesta in una proporzione inferiore di quella attesa.
• Espressività: indicazione della natura e gravità del fenotipo a parità di genotipo. Individui diversi con lo stesso fenotipo possono essere affetti in misura più o meno grave.
• Pleiotropia: un gene si manifesta in molte espressioni fenotipiche.
• Eterogeneità genica: stesso fenotipo causato da mutazioni di geni diversi (genitori malati, figli sani).
• Eterogeneità allelica: lo stesso fenotipo causato da mutazioni diverse (alleli diversi) dello stesso gene.
• Imprinting: alcuni geni sono spenti per via materna/paterna (metilazione citosine promotore). È un processo fisiologico ma se l’unico gene funzionante è perso = patologia.
• Anticipazione: la malattia insorge più precocemente e in forma più grave.
• Malattia multisistemica: ha effetti su più organi/tessuti diversi.

Mutazioni

In base alla regione che colpiscono:

• Geniche (puntiformi): di una singola base
• Cromosomiche: di una regione di un cromosoma
• Genomiche: corredo cromosomico

In base alla natura molecolare:

• Puntiformi: sostituzioni (transizione pu-pu, trasversione pu-pi), inserzioni (+1 base), delezioni (-1 base)
• Cromosomiche: struttura e numero dei cromosomi

In base al tipo:

• Silenti: tripletta diversa, amminoacido uguale
• Missenso: tripletta diversa, nuovo amminoacido
• Conservative: nuovo amminoacido simile all’originale (funzione simile)
• Non conservative: nuovo amminoacido con nuova funzione (più pericolose)
• Non senso: nuova tripletta è codon di stop, proteina tronca
• Frameshift: delezioni/inserzioni causano scivolamento cornice di lettura, scivolamento introduce codon stop (proteina tronca)
• Splicing: perdita di esoni (proteine tronche)

In base al tipo cellulare:

• Germinali: colpiscono le gonadi (trasmesse alla prole)
• Somatiche

In base al fenotipo:

• Morfologiche: nuove caratteristiche fenotipiche
• Letali
• Condizionali: condizionano fenotipo solo in date condizioni ambientali
• Auxotrofiche: impediscono sintesi di un nutriente
• Loss of function: proteina mutata non funzionante
• Gain of function: acquisizione di una nuova funzione

In base alla natura del gene mutato:

• Amorfica: è inattivo
• Ipomorfica: meno attivo di quello selvatico (non malato)
• Ipermorfica: più attivo di quello selvatico
• Antimorfica: effetto opposto rispetto al gene selvatico
• Neomorifca: esprime un nuovo carattere

Malattie autosomiche dominanti

Acromatopsia

Nanismo (accorciamento degli arti). L'80% sono mutazioni de novo (acondroplasia sporadica). Il gene mutato in omozigosi è spesso letale.

Sindrome di Marfan

Malattia del tessuto connettivo. Mutazione del gene della fibrillina I (componente matrice extracellulare): inattiva TGF-beta. Effetto pleiotropico: il connettivo si trova in tutto il corpo, colpisce tessuti diversi. Effetto più grave sui vasi sanguigni: disseccamento dell’aorta. Effetto dominante negativo: la brillina interagisce con altre proteine.

Osteogenesi imperfetta

Una delle 3 catene del collagene I mutata. Dominanza negativa: basta un’elica mutata per formare catene di collagene anomale. Pleiotropismo: più effetti in tessuti diversi (il collagene è nella matrice di molti tessuti):

• Ossa fragili: fratture multiple spontanee, dentinogenesi imperfetta, ossificazione anomala cranio
• Perdita udito in giovane età
• Colore grigio-ceruleo delle sclere (occhi)
• Insufficienza mitralica e aortica

Nel 95% dei casi sono mutazioni dominant dei geni COL1A1 e COL1A2. Lo stesso fenotipo può essere causato da mutazioni recessive di altri geni (più raro). Mosaicismo germinale: solo alcune cellule germinali sono mutate (genitori sani).

Ipercolesterolemia familiare

Accumulo di colesterolo. Aploinsufficienza: il gene sano non compensa il mancato funzionamento di quello mutato. Eterogeneità allelica: mutazioni diverse del gene causano la stessa malattia. Il gene è fatto da più esoni: più esoni insieme codificano un dominio del recettore. Il recettore ha molti domini diversi: intracellulare, extracellulare, glicosilato, ecc. Basta una mutazione su un esone = uno dei domini mutato = recettore non funziona. LDL = lipoproteine a basso contenuto in trigliceridi (colesterolo da fegato a tessuti). Difetto recettore LDL = accumulo LDL in giunzioni, articolazioni, sistema circolatorio. Si creano ostruzioni e trombi. LDL sono legate a APOB-100 che è riconosciuta dai recettori. In casi più rari la causa della malattia è una mutazione di APOB-100.

Effetti delle mutazioni del gene per recettore LDL

• Recettore negativo: non è sintetizzato
• È sintetizzato ma non maturato nel Golgi (non è portato sulla membrana)
• Recettore deficiente: ha una capacità di legare LDL molto limitata
• Recettore internalizzazione deficiente: lega LDL ma non riesce a farle entrare

Tra le malattie genetiche più comuni (farmaco: statine, bloccano biosintesi colesterolo, o resine). Aferesi: filtrare sangue e pulirlo da LDL tramite macchinario.

Patologie imprinting

Coinvolgono il locus q11-q13 del cromosoma 15. I geni di questo locus sono inattivi per via materna o paterna perciò se viene perso il gene funzionante ciò causerà la malattia o la sindrome (= più sintomi insieme).

Sindrome di Prader-Willi

Obesità, mani-piedi piccoli, bassa statura, ritardo mentale. Imprinting: geni espressi per via paterna e repressi per via materna.